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结构抗侧力构件该如何布置?框架结构为例

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来源:建筑结构,版权归原作者所有,如有侵权请联系删除 点击课程咨询了解: 框架结构设计实战教学-从入门到精通(秋刀鱼设计系列),课程学习咨询点这儿~ 地上结构由水平体系和竖向体系组成。水平体系主要作用有两个:1)在竖向,承受楼面或屋面的竖向荷载,并将它传递给竖向体系;2)在水平方向,起隔板和支承竖向构件的作用,并保持竖向构件的稳定。 竖向体系主要作用也有两个:1)在竖向,承受由水平体系传来的全部荷载,并把它传给基础;2)在水平方向,抵抗水平作用力如风荷载、水平地震作用等,也把他们传递给基础。

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地上结构由水平体系和竖向体系组成。水平体系主要作用有两个:1)在竖向,承受楼面或屋面的竖向荷载,并将它传递给竖向体系;2)在水平方向,起隔板和支承竖向构件的作用,并保持竖向构件的稳定。

竖向体系主要作用也有两个:1)在竖向,承受由水平体系传来的全部荷载,并把它传给基础;2)在水平方向,抵抗水平作用力如风荷载、水平地震作用等,也把他们传递给基础。

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▲水平荷载和竖向荷载

对于竖向分体系,抵抗竖向力和抵抗水平力,有时候是同一类构件。比如框架结构的框架柱,既承担竖向力,又参与抵抗水平力。

有时候竖向力和水平力由不同类构件分别承担。比如框架支撑结构,竖向力主要由柱子承担,水平力主要由支撑承担。框架剪力墙结构,竖向力由柱子和剪力墙承担,水平力主要由剪力墙承担。本文主要想讨论仅承担水平力的构件应该如何布置?

一个四层框架支撑结构的布置

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如果有一个四层的框架支撑结构,每层布置两个支撑。一般情况下,我们会布置成上下对齐的两列。如下图所示。

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▲方案1

如果不考虑建筑功能和立面的影响,这样布置是不是也行?这个应该没问题。

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▲方案2

那这样是不是也可以呢?......这个要想一下。

▲方案3

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▲方案4

上述方案3~4中,在水平荷载作用下,支撑的内力在梁柱节点处分解为梁的水平力和柱的竖向力,相当稳妥。与方案1的传力方式并没有本质的不同。方案2支撑之间首尾相连,传力效率更高。

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对于楼板完整的结构,楼板平面内刚度很大,只要保证楼面系统传递水平力的可靠性,支撑作用在楼板的哪个位置其实是没有关系的。这时结构体系是可以用糖葫芦串模型进行分析的。在糖葫芦串模型中,一个楼层仅一个自由度,相当于一个质点。既然整个楼层相当于一个质点,那楼层间的支撑只要数量一样,放在哪里就应该是没有关系的。那支撑是不是上下对齐也就没有关系了。

为什么想到这个问题,因为小i发现日本的结构工程师在布置支撑时,是刻意地进行分散布置的。我问他们为什么要分散布置,他们反问我不应该都是这样的吗?好吧,我无言以对。

下图是早稻田大学的一栋大楼的立面,外立面是耐震加固的支撑。

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下图是东京工业大学的教学楼,剪力墙是棋盘式布置的。剪力墙可以看成是大号的支撑。

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对支撑布置方式的思考

那就有个疑问,为什么包括小i在内的国内大多数结构工程师第一反应支撑都应该是上下对齐布置的呢?小i问了几个朋友,回答是因为规范引导的。如果抗侧力构件不连续,规范认为是竖向不规则,我们需要避免不规则布置。

做过结构设计的结构师都知道《抗规》3.4.3条,竖向不规则的主要类型中有一条:竖向抗侧力构件不连续。指的是竖向抗侧力构件(柱、抗震墙、抗震支撑)的内力由水平转换构件(梁、桁架等)向下传递。

条文说明中,给出了两个抗侧力构件不连续的案例如下。

之前小i也一直觉得,只要支撑或剪力墙没有上下对其布置,就属于抗侧力构件不连续。但仔细阅读发现,规范中有个关键词叫“水平转换构件”。所以,按照规范的表述方案1-4抗侧力构件都是连续的。

只有当抗侧力构件的内力需要由水平转换构件承担时,才叫抗侧力构件不连续。比如下面这种方案5的布置。

▲方案5

小i用软件分析了各个方案内力。为了看清差异,将框架梁两端均设为铰接,柱底也设为铰接,即框架不参与抗侧。假设在左上角有一个100KN的水平集中力,在该集中力作用下,各布置方案的轴力如下所示。

▲轴力图

由图可见,方案1-4中,支撑杆件的轴力均为70KN左右。这是因为各方案,每层都布置了两根支撑,每层的层剪力均为100KN,支撑不管是拉还是压,其轴力就是都是70KN。

不同的是方案1柱的轴力最大,因为支撑对齐布置,抵抗倾覆力矩时,参与抗侧的柱子距离最小。这是方案1的劣势,结构抵抗倾覆的效率比较低。方案3、4,柱的轴力则比方案1小,但力的传力路径长,参与的构件多。这将导致需要关注和进行抗侧设计的杆件会更多。而方案2是这里最好的。

▲变形图

再看变形,方案1刚度最小,方案3~4刚度居中,方案2刚度最大。

看到这里,似乎明白了。我们国家地震烈度比较低,一般通过上下对其的方式布置抗侧力构件,虽然抗倾覆时效率比较低,但完全能够搞定,同时设计比较简单,地震下重点关注支撑相关的若干列柱子就可以了。

但是如果地震烈度比较高,比如日本,上下对其的抗侧力构件布置方式会带来柱轴力过于集中的情况,只能采取分散布置的方式。

把支撑替换成剪力墙,布置的这个原则应该也是成立的。

再来看下,抗侧力构件不连续的情况。如下图所示,变形在抗侧力构件转换的地方有突变,而内力也很集中,被转换的支撑构件其实没怎么吃上力。因此,这种情况最好避免。


综上所示,支撑(剪力墙)的布置就非常自由了。哪怕上部是连续布置的支撑(剪力墙),首层支撑(剪力墙)应建筑需求往边上移了一跨,只要柱子足够强,感觉也完全没有什么问题。

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