目前我国建筑结构以“小震不坏、中震可修、大震不倒”作为抗震设计性能要求,《建筑工程抗震设防分类标准》(GB 50223—2008) [1] 要求以设防烈度地震确定地震作用。现行《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版) [2] 和《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010) [3] (简称行标《高规》)均以多遇地震作为设计依据,辅加各种多遇地震作用组合及地震作用调整系数计算结构构件的内力,满足多遇地震组合的承载力要求,保证“中震可修”。广东省标准《高层建筑混凝土结构技术规程》(DBJ/T 15-92—2021) [4] (简称粤标《高规》)直接采用设防烈度地震进行构件的承载力验算,取消与抗震等级有关的构件内力调整,取消抗震承载力调整系数γRE,同时改进抗震设计谱、简化结构抗震构造等级的确定原则、调整结构位移控制指标,提出了基于设防烈度地震和结构构件性能水准的新的抗震设计方法。汕头地区是广东省两个8度抗震设防的高烈度区之一 [2] ,本文以汕头地区不同高度的剪力墙、框架结构为算例,各幢采用相同结构模型按粤标《高规》和行标《高规》进行计算对比,分析讨论高烈度抗震设防区高层建筑结构抗震设计采用粤标《高规》的合理性。
广东省标准《高层建筑混凝土结构技术规程》(DBJ/T 15-92—2021)在地震高烈度区的应用对比
文/吴敬伟
01
工程概况
项目位于汕头市区,编号为1幢、2幢、3幢的剪力墙结构商住楼和4幢的框架结构办公楼。1幢结构主屋面高度148.4m,超B级高度,为超限高层结构;2幢结构主屋面高度88.5m;3幢结构主屋面高度49.7m;4幢结构主屋面高度24.0m。抗震设防烈度8度(0.20g),设计地震分组第二组,Ⅲ类场地,抗震设防类别为丙类 [1,5] 。行标《高规》水平地震影响系数α max 小震为0.16,中震为0.45,大震为0.90,特征周期T g 为0.55s;粤标《高规》水平地震影响系数α max 中震为0.50,大震为1.00,特征周期T g 为0.65s。按行标《高规》设计仅1幢需性能设计,其抗震性能目标为D级,小震、中震、大震对应的性能水准分别为1、4、5 [3] ;按粤标《高规》设计各幢均按性能设计,抗震性能目标为D级,中震、大震对应的性能水准分别为4、5 [4] 。各幢标准层结构平面图如图1所示。
（a）1幢
（b）2幢
（c）3幢
（d）4幢
▲ 图1 各幢标准层结构平面图
02
计算方法及计算参数取值
根据粤标《高规》和行标《高规》的规定,分别采用相应的设计方法进行振型分解反应谱法(CQC法)分析 [6-7] 、结构抗震设计和弹性时程分析,采用Perform-3D及YJK程序进行罕遇地震动力弹塑性分析和静力弹塑性推覆分析。计算参数如表1所示。
▲ 表1 结构计算参数
注:粤标指粤标《高规》,行标指行标《高规》,表2～8同;周期折减系数0.75仅用于4幢。
03
CQC法主要计算结果对比和分析
(1)粤标《高规》和行标《高规》CQC法计算得到的结构自振周期对比如表2所示。
▲ 表2 自振周期对比
注:比值为粤标《高规》与行标《高规》小震之比,表3同。
(2)粤标《高规》和行标《高规》CQC法计算得到的结构地震作用主要计算结果对比如表3所示。
▲ 表3 地震作用主要计算结果对比
(3)粤标《高规》和行标《高规》CQC法计算得到的结构用钢量、混凝土用量对比如表4所示。
▲ 表4 用钢量、混凝土用量对比
注:楼板用钢量两套《高规》相同,表中未列出;1幢行标《高规》用钢量、混凝土用量为小震、中震包络值。
(4)CQC法计算结果分析如下:
1)表2揭示采用粤标《高规》计算的结构自振周期略大。表3主要计算结果表明,结构的各项控制性指标满足相关规范要求。粤标《高规》和行标《高规》设计谱不同,梁刚度放大系数、连梁刚度折减系数、周期折减系数、特征周期等取值不同,且粤标《高规》采用中震设计,行标《高规》采用小震设计,两者水平地震影响系数最大值之比为3.125。
2)表4显示采用粤标《高规》设计的剪力墙边缘构件和框架柱用钢量比行标《高规》的高,水平构件用钢量比行标《高规》的低,剪力墙墙身和楼板的用钢量相同,总体用钢量相差均在5%以内。
3)表3、4对比结果揭示结构布置类同的1～3幢不同高度剪力墙结构地震作用下产生的内力占整体内力比值按两套《高规》计算结果均随建筑高度降低而增大,其中粤标《高规》的增大幅度更加明显,两者的结构用钢量也呈现相同变化趋势。
04
动力弹塑性分析结果对比
以1幢、4幢为例分别按粤标《高规》、行标《高规》两个分析模型各自的计算配筋结果输入,采用相同的地震波(二组天然波和一组人工波)导入Perform-3D软件进行双向动力弹塑性时程分析。广东省标准《建筑工程混凝土结构抗震性能设计规程》(DBJ/T 15-151—2019)[8]的构件损伤程度评估指标由华南理工大学土木系韩小雷教授团队提出,历经近20年的试验研究,以大量构件受力试验数据的统计分析为依据,可信度较高,其中正截面按变形复核,斜截面按承载力复核 [8] 。第5性能水准构件受剪截面验算行标《高规》按
(式3.11.3-4),粤标《高规》按
(式3.9.5-3;竖向构件η=1.0、水平构件η=0.55,c=0.55,ξ=0.18),大震作用下粤标《高规》水平地震影响系数α max 和特征周期T g 取值均比行标《高规》大,但验算剪压比限值放松了20%。
(1)1幢结构的弹塑性性能对比
1幢罕遇地震下的结构宏观响应如表5所示。1幢罕遇地震下的结构构件性能评估结果如图2～4和表6、7所示。
▲ 表5 1幢罕遇地震下的结构宏观响应
注:Ⅲ类场地粤标《高规》大震水平地震影响系数最大值α max =1.0,特征周期T g =0.70s,地震力折减系数c=0.55,水平构件重要性系数η=0.55,动力弹塑性分析两套《高规》整体结构地震反应和构件内力相近,粤标《高规》的略高。
▲ 表6 1幢构件正截面性能状态统计
▲ 表7 1幢构件斜截面性能状态统计
▲ 图2 1幢罕遇地震下剪力墙正、斜截面验算结果
▲ 图3 1幢罕遇地震下第26层剪力墙斜截面验算结果
（a）粤标 《高规》
（b）行标《高规》
▲ 图4 1幢罕遇地震下连梁及框梁正、斜截面验算结果
图2～4和表6、7显示1幢罕遇地震作用下两套《高规》动力弹塑性分析结果整体上均能满足各自规定的性能水准5要求 [3] ,大震动力弹塑性性能相当。剪力墙正截面验算两者均在轻微损坏以内,斜截面验算基本在抗剪不屈服以内,仅行标《高规》26层一片剪力墙墙肢剪压比略大于0.15,属截面超限。连梁正截面验算采用粤标《高规》计算的损坏程度略高于行标《高规》,采用行标《高规》进行斜截面验算显示19.80%连梁剪压比略大于0.15。框架梁正截面、斜截面验算两者相当。
(2)4幢结构的弹塑性性能对比
4幢罕遇地震下的结构宏观响应如表8所示。4幢罕遇地震下的结构构件性能评估结果如图5所示。
▲ 表8 4幢罕遇地震下的结构宏观响应
（a）粤标 《高规》
（b）行标《高规》
▲ 图5 4幢罕遇地震下框架柱及框架梁正、
斜截面性能评估结果
图5表明4幢罕遇地震作用下两套《高规》动力弹塑性分析结果整体指标接近。框架柱正截面验算二者性能相当,均在无损坏～轻度损坏间;斜截面验算二者均约为90%抗剪弹性,粤标《高规》无截面超限,行标《高规》有个别框架柱剪压比略大于0.15,属截面超限。框架梁正截面验算粤标《高规》无损坏～轻微损坏为57.69%,轻度损坏41.06%,中度损坏1.26%,行标《高规》无损坏44.58%,轻微损坏55.42%;斜截面验算二者均92.10%抗剪弹性,7.90%抗剪不屈服。表8揭示粤标《高规》框架梁弹塑性耗能占比为90%以上,为主要耗能构件,其正截面损坏程度略高于行标《高规》。
05
静力弹塑性性能对比
采用YJK程序对1～4幢分别按粤标《高规》、行标《高规》两个分析模型各自的计算配筋结果输入,1、2幢采用规定水平力荷载形式,3、4幢采用倒三角形荷载形式,静力弹塑性推覆分析结果对比如下:1)1幢静力推覆分析主要结果如图6所示;2)2、3幢静力推覆分析主要结果如图7所示;3)4幢静力推覆分析主要结果如图8所示。
▲ 图6 1幢静力推覆分析主要结果
▲ 图7 2、3幢静力推覆分析主要结果
▲ 图8 4幢静力推覆分析主要结果
图6～8表明罕遇地震作用下静力推覆分析结果各幢整体指标均能满足相关规范要求。1幢、4幢两套《高规》能力曲线接近,大震性能相当;2、3幢建筑物外侧底部剪力墙整截面受拉,与粤标《高规》设防烈度地震计算结果一致。
06
抗震设计方法及抗震安全性讨论
粤标《高规》遵循《建筑工程抗震设防分类标准》(GB 50223—2008)[1]要求,以设防烈度地震确定地震作用的规定,采用设防烈度地震进行结构构件的抗震承载力验算,以可计算验证的方式保证“中震不坏、中震可修”等目标的实现,通过抗震构造措施实现“大震不倒”目标,抗震设计方法统一,不同结构能控制大致相同的结构抗震安全性 [9] 。行标《高规》采用多遇地震作用计算结构构件内力,超限结构需小、中震包络设计。以上算例揭示地震高烈度区粤标《高规》抗震安全性与行标《高规》相当,结构安全性有保障。
(1)粤标《高规》抗震设计时梁刚度放大系数边梁1.0～1.2、中梁1.2～1.5,连梁刚度折减系数0.2～0.3,水平构件重要性系数η取0.5～0.7。计算结果梁纵筋相对小,大震作用下连梁、框架梁先行进入弹塑性,为主要耗能构件,有效保证“强柱弱梁”设计原则的实现。
(2)高烈度抗震设防区因地震作用大,高度相对低的剪力墙结构底部外侧剪力墙在中震作用下也常出现整截面受拉,如2幢2Q1～2Q4(图1(b))、3幢3Q1、3Q2(图1(c))。其中剪力墙2Q1粤标《高规》首层整截面拉力标准值为2221.0kN,端部约束边缘构件最大拉力标准值为3878.0kN,为2倍混凝土轴心受拉强度标准值ftk的1.893倍 [10] ,应按小偏心受拉构件加强其抗震构造措施,粤标《高规》在7.2.7条新增轴拉、小偏拉剪力墙竖向钢筋最小配筋率规定。
07
结语
(1)粤标《高规》抗震设计方法虽与行标《高规》不同,但上述工程实例的应用对比表明在高烈度抗震设防区采用粤标《高规》设计结构抗震安全性有保障,依据其设计是合理的。
(2)粤标《高规》无论建筑大小、高低、重要性均按“二阶段、二水准”的性能设计方法,方便设计人员对结构总体及关键构件安全度的直观把控。
参考文献
[1] 建筑工程抗震设防分类标准:GB 50223—2008[S]．北京:中国建筑工业出版社,2008.
[2] 建筑抗震设计规范:GB 50011—2010[S]．2016年版. 北京:中国建筑工业出版社,2016.
[3] 高层建筑混凝土结构技术规程:JGJ 3—2010[S]．北京:中国建筑工业出版社,2011.
[4] 高层建筑混凝土结构技术规程:DBJ/T 15-92—2021[S]. 北京:中国城市出版社,2021.
[5] 建筑与市政工程抗震通用规范:GB 55002—2021 [S]．北京:中国建筑工业出版社,2021.
[6] 工程结构通用规范:GB 55001—2021[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2021.
[7] 混凝土结构通用规范:GB 55008—2021 [S]. 北京:中国建筑工业出版社,2021.
[8] 建筑工程混凝土结构抗震性能设计规程:DBJ/T 15-151—2019[S]. 北京:中国城市出版社,2019.
[9] 方小丹．DBJ/T 15-92—2021《高层建筑混凝土结构技术规程》的修订依据及相关问题说明[J]．建筑结构学报,2021,42(9):172-188.
[10] 混凝土结构设计规范:GB 50010—2010[S]．2015年版. 北京:中国建筑工业出版社,2015.
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