【超限高层建筑在设防烈度地震作用下墙肢拉应力应对方案的探究（论文）4400字】

超限高层建筑在设防烈度地震作用下墙肢拉应力应对方案的研究目录TOC\o"1-2"\h\u23577超限高层建筑在设防烈度地震作用下墙肢拉应力应对方案的研究 1323051工程概况 2216972项目地震作用下竖向构件拉应力概述 2260382.1高层建筑受力分析 2213351.2项目设防烈度必要性 3198722超限高层建筑在设防烈度地震作用下的墙肢拉应力计算方法 3193013超限高层建筑在设防烈度地震作用下的墙肢拉应力具体应对方案 4280343.1偏心受拉墙肢含钢率的计算 5140163.2偏心受拉墙肢的构造措施 5146433.3偏心受拉墙肢配置型钢方式 642273.4偏心受拉墙肢的柱脚设计 7171574结论与建议 817629参考文献 8钟鑫坚摘要：超限高层建筑的出现极大的节约了土地，但超限高层建筑单体总建造费用耗费较大，为提高建筑能效，不仅需要建筑结构本身优化，于此同时还需要考虑超限高层建筑底部部分竖向构件偏心受拉的问题，尤其是地震高发地段，地震所产生的拉应力会对建筑造成不可以逆的永久性破坏。本文基于此背景下以成都市成华区工程项目为例来进行超限高层建筑在设防烈度地震作用下墙肢拉应力应对方案的研究。关键词：墙肢拉应力、超限高层建筑、设防烈度地震作用1工程概况本文的研究对象为成都市成华区工程项目（一期）11#楼。工程用地呈不规则的矩形，西侧较宽，东西长约400米，南北长约270米，净用地面积：66458.23平方米。项目总建筑面积376705.57平方米，建筑主要由8栋37~40层不等的高层住宅楼、一栋44层超高层办公楼与六栋多层的商业楼组成。其中11号楼建筑高度为139.850米，为超高层建筑。地上44层，带两层商业裙房，一层层高4.3米，二层5.9米，三~十四层为3.30米，十五层及以上均为3.0m；地下2层地下室，地下一层层高5.0m，地下二层层高3.70m。为B级高度的高层建筑。平面成规则矩形，底部为81.05x24.85m，标准层尺寸为70.35x17.20m。塔楼长宽比为4.1，高宽比为8.13。2项目地震作用下竖向构件拉应力概述2.1高层建筑受力分析高层建筑受力情况可以近似为悬臂构件，悬臂构件在不同外力作用下地基的受力情况如图1，其中：（a）图表示该悬臂构件只考虑重力荷载的受力情况，此时地基均匀受压；（b）)图表示不考虑悬臂构件自重但同时受到水平力的情况，此时在水平力作用方向，地基由受拉逐渐过渡到受压；（c）图表示的是考虑自重，同时在悬臂构件顶部作用有水平力的情况，由图可知此时地基任然在水平力作用方向上由受拉逐渐过渡到受压，而由于重力荷载的作用，受拉区域的受力作用有所减弱，受压区域的压力作用有所增强。图1悬臂构件外力作用下地基反力图1.2项目设防烈度必要性本工程在设防烈度地震计算中出现多片剪力墙出现偏心受拉，且部分拉应力已经超过2倍混凝土抗拉强度标准值，承担拉应力的型钢含钢率超过了2.5％，而《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点（2010）》中规定全截面型钢和钢板的含钢率超过2.5％时可按比例适当放松，但并未给出具体的型钢含钢率设置要求。本章将依据国家相关规定，结合工程实例，给出了墙肢内型钢含钢率的计算方法与实际工程中剪力墙加设型钢的具体方法[1]。2超限高层建筑在设防烈度地震作用下的墙肢拉应力计算方法2.1拉应力及抗拉强度标准值倍数计算根据超限审查的要求，中震时墙肢的拉应力采用中震不屈服的计算结果。结合中震不屈服计算，可以得出每片墙肢由地震作用产生的轴向力（拉力为正，压力为负）及恒载和活载作用下的压力，从而根据如下关系得出墙肢轴向平均拉应力以及该拉力与混凝土抗拉强度标准值的倍数：计算时需考虑地震沿相反方向的作用分别计算并取最不利的比值。墙肢平均不屈服拉应力不应超过的要求转化为拉应力倍数应不大于2.0，同时当该倍数大于1时宜设置型钢承担拉力。以上要求在低烈度地区和结构高度较小时不成问题，但在设防烈度较高、高度较大或场地条件不利等因素引起的地震作用较大时，结构底部剪力墙的不屈服平均拉应力超过的现象则不易避免。2.2抗拉强度标准值和设计值关系图2为各种型号的混凝土的抗拉强度标准值和抗拉强度设计值的关系，其平均关系为，因此则表示所以，按照《高规》的规定，在多遇地震作用下，当墙肢全截面由轴向力产生的平均拉应力超过2.86倍混凝土抗拉强度标准值时即时，剪力墙中的混凝土丧失抗剪承载能力。图2混凝土抗拉强度标准值和设计值的关系根据超限专家的意见，在中震作用下，墙肢平均不屈服拉应力不应超过，以保证剪力墙的抗剪能力满足中震的性能要求。不屈服计算时没有考虑荷载分项系数，认为荷载分项系数均为1.0。如果取地震作用的分项系数1.4，则墙肢平均不屈服拉应力不应超过大体相当于墙肢平均弹性拉应力不超过，与《高规》的规定大体相当。所以，墙肢平均不屈服拉应力不应超过的要求保证了中震下剪力墙的抗剪弹性的性能目标，与《高规》多遇地震时的规定大体一致。但是，《高规》只是规定当平均拉应力超过时，剪力墙中的混凝土丧失抗剪承载能力，并不是一个必须满足的条件。所以，超限专家提出的墙肢平均不屈服拉应力不应超过的要求较《高规》的规定显得偏高。同时，如果超限结构的中震性能指标低于弹性性能要求，比如对于抗剪不屈服的性能目标，则墙肢平均不屈服拉应力不应超过的要求过于严格。为超限高层的设计带来了更大的难度。3超限高层建筑在设防烈度地震作用下的墙肢拉应力具体应对方案本文在设防烈度地震不屈服整体计算中多片剪力墙出现偏心受拉，对出现偏心受拉的剪力墙且拉应力超过混凝土抗拉强度时，应该增设型钢来承担拉应力，防止剪力墙在地震力作用下受拉破坏，由于型钢的含钢率过小无法抵抗墙肢的拉应力，含钢率过大又会造成不必要的浪费，所以型钢的含钢率应该配置在一个合理的区间；此外为保证型钢的有效与型钢的稳定性，在具体配置型钢时采用型钢加栓钉的形式，由于构造箍筋的构造要求，部分箍筋不可避免的会穿过型钢，为减小开洞对型钢造成的影响，本工程采用箍筋间隔多倍箍筋间距穿过钢骨腹板的形式；柱脚型钢采用锚栓固定[2]。3.1偏心受拉墙肢含钢率的计算本工程底部加强区竖向构件采用的混凝土强度等级为C70，混凝土抗拉强度标准值ftk=2.99N/mm2，混凝土弹性模量Ec=3.70×104N/mm2，型钢采用Q235钢，钢材弹性模量Ea=2.06×105N/mm2（采用Q235B钢材型钢，不存在无效含钢区），混凝土与钢材的弹性模量比n=Ea/Ec=5.57，故Pa≥0.1094×（K1-2）。A.墙肢Q1，NK的计算结果7903.5kN，剪力墙砼面积Ac为1225000mm2，不考虑型钢作用时，由前式（5-8）计算得K1=2.16，则，含钢率Pa=1.75%，由于Q1的拉应力与混凝土抗拉强度标准值比值为2.16>2，所以含钢率Pa不应小于3%，取应配含钢率Pa=3%。B.墙肢Q9，NK的计算结果16080kN,剪力墙砼面积Ac为2275000mm2，不考虑型钢作用时，由前式（5-8）计算得K1=2.36，则，含钢率Pa=3.94%，由于墙肢含钢率>3%，所以取应配含钢率Pa=4%。C.墙肢Q10，NK的计算结果14770.5kN,剪力墙砼面积Ac为2170000mm2，不考虑型钢作用时，由前式（5-8）计算得K1=2.28，则，含钢率Pa=3.06%>3%，由于墙肢含钢率>3%，所以取应配含钢率Pa=3.5%。D.其他拉应力与混凝土抗拉强度标准值比值大于1%且不大于2%的墙肢均按2.5%含钢率设置型钢。通过对本工程拉应力大于2倍混凝土抗拉强度标准值的墙肢含钢率的计算，当墙肢Q1取应配含钢率Pa=3%；当墙肢Q9取应配含钢率Pa=4%；当墙肢Q10取应配含钢率Pa=3.5%；其它拉应力与混凝土抗拉强度标准值比值大于1%且不大于2%的墙肢均取应配含钢率Pa=2.5%时，型钢能抵抗大部分拉力以保证混凝土不受过大拉应力造成开裂等实质时破坏，不影响建筑物的安全和正常使用寿命。3.2偏心受拉墙肢的构造措施本工程高度超过A级高度限值，属于B级高度超限高层建筑，属于超限高层建筑，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度0.10g，设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.45s；按《技术要点》第四章第十二条第四款的要求设防烈度地震计算中出现小偏心受拉的结构构件需采用《高规》中规定的特一级构造，本工程中设置了型钢的剪力墙的均按特一级构造配筋，根据规范《高规》、《组合结构设计规范》JGJ138-2016[2]可知剪力墙配筋应满足表1，表2要求。表1剪力墙墙肢配筋率要求墙肢竖向分布筋配筋率水平分布筋配筋率底部加强区（基顶~6F板面）0.6%（规范要求0.4%）0.5%（规范要求0.4%）第一层过渡层（6F~7F板面）0.6%0.5%第二、三层过渡层（7F~9F板面）0.45%0.45%一般部位0.35%0.35%表2剪力墙暗柱配筋率要求纵筋配筋率配箍特征值λ约束边缘构件（基顶~7F板面）1.5%0.24过渡层暗柱（7F~9F板面）1.4%构造边缘构件1.2%本文在剪力墙设计中按照特一级构造的要求设置构造钢筋，剪力墙墙肢分布钢筋和剪力墙暗柱纵向配筋均大于等于表1，表2与计算结果，满足规范要求，能保证建筑结构的安全和正常使用。3.3偏心受拉墙肢配置型钢方式3.3.1混凝土体积墙肢内抗拉型钢设置于设防烈度地震计算中有拉应力墙肢的暗柱内，于有拉应的计算层全层高设置，本工程型钢设置高度为基顶-23.350m，以Q1内部的YBZ为例，根据计算结果，Q1内设置的型钢含钢率应取3%，YBZ的混凝土体积为Ac=1760000mm2，详下图3；为满足3%的含钢率要求，暗柱内设置两个H500×200×32×32的工字钢，其体积为Aa=53504mm2，其暗柱含钢率为53504/1760000=3.04%，满足设计要求。3.3.2墙肢内暗柱构造箍筋设置根据规范《高规》中特一级墙肢的构造要求，墙肢内暗柱构造箍筋竖向设置的最小间距为100mm，而工字钢的腹板长度达了500mm，为满足规范对箍筋设置的构造要求，部分箍筋不可避免的会穿过型钢，因此会在型钢腹板上开洞以便箍筋完整设置，而开洞会对型钢的抗拉能力和稳定性造成一定的负面影响，为减小开洞对型钢造成的影响，本工程参考采用《大长宽比钢骨混凝土短柱关键技术研究及应用》（四川省建筑设计研究院2016年3月）中所验证过的“栓钉+箍筋间隔多倍箍筋间距穿过钢骨腹板”的形式设计暗柱，箍筋设置时尽量避免了穿过钢，仍以Q1内YBZ为例，箍筋与工字钢的设置详下图3，暗柱内有5处箍筋部分穿过型钢，穿过型钢的箍筋沿竖向间隔多倍间距设置，具体为每三根箍筋，则取一根穿过型钢腹板，第一根穿孔位置位于基顶标高+50mm；1处箍筋第根均穿过型钢型钢；型钢四周设置栓钉增强稳定性，此形式能保证型钢和箍筋的完整性，确保型钢和箍筋的抗震能力不受影响。图3YBZ内箍筋与工字钢的设置详图3.4偏心受拉墙肢的柱脚设计本工程基础采用筏板基础，筏板厚度为2m，型钢柱埋至基础底，型钢柱埋深为2m满足以上计算结果。本工程的型钢混凝土偏心受拉柱采用埋入式柱脚，型钢柱埋至基础底，采用4颗公称直径d=33mm的锚栓，配三帽两垫锚栓，满足《组合规》第6.5.2，6.5.4，6.5.7条要求，结构安全可靠。图4型钢GZ1柱脚锚栓大样图4结论与建议本文对设防烈度地震不屈服分析中出现的小偏心受拉剪力墙提出具体的应对方案，以保证该结构构件的抗震性能。参考《设防烈度地震作用下超高层结构核心筒墙肢拉应力分析与设计》马凯所著文章，对拉应力超过2倍的混凝土抗拉强度标准值的偏心受拉墙肢的含钢率进行了计算,根据计算结果墙肢Q1取应配含钢率Pa=3%；当墙肢Q9取应配含钢率Pa=4%；当墙肢Q10取应配含钢率Pa=3.5%；其它拉应力与混凝土抗拉强度标准值比值大于1%且不大于2%的墙肢均取应配含钢率Pa=2.5%时，型钢能抵抗大部分拉力以保证混凝土