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    超高层建筑框支层中与剪力墙相连框支柱抗剪设计方法.pdf

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    超高层建筑框支层中与剪力墙相连框支柱抗剪设计方法.pdf

    2013年第10卷第1期 深圳土木与建筑 超高层建筑框支层中与剪力墙相连框支柱抗剪设计方法 窦祖融吴忽保魏琏 深圳泛华工程集团有限公司 【摘要】与剪力墙相连框支柱的剪力分布特点与单独框支柱有较大不同,现行规范及设计软件对于这种框 支柱的剪力调整并无针对性措施。本文结合一栋带结构转换层的超高层的结构设计,定义了三种不同类别 的框支柱,分别研究了竖向荷载和水平荷载作用下的剪力分布特点,并分析了现行规范对框支柱剪力调整 的相关条文及设计程序的计算方法,指出了其中存在的问题,提出了对于与剪力墙相连框支柱更为合理的 抗剪设计方法。 I关键词l抗剪设计剪力墙相连框支柱部分框支剪力墙结构 1引言 超高层商住综合体多采用部分框支剪力墙结构, 这类复杂结构需要采用进行弹塑性分析来确认转 换层在罕遇地震下能否达到抗震性能目标的要求 J。 因此在小震弹性设计时,为了避免出现较为严重的 竖向不规则,除了核心筒向下延伸并增加截面和强 度外,往往还需布置落地剪力墙或附加剪力墙,这 些剪力墙有时会和框支柱连在一起。一般来说,部 分框支剪力墙结构中位于转换层的剪力墙会承受 大部分的楼层剪力,框支柱承受较小的剪力。但是 在使用某些通用设计程序时,与剪力墙相连的框支 柱有时会出现很大的设计剪力,超过了普通钢筋混 凝土柱抗剪承载力的上限值,设计人员不得不通过 放置型钢解决这一问题。本文以一超高层商住楼为 例分析该类框支柱设计剪力过大的原因并给出合 理的解决办法。 2工程概况 该超高层项目地上44层,高143m,转换层位于 地上4层,框支柱砼强度等级C60。转换层结构平面 和框支柱编号详见图1,使用PKPM的SATWE程序 进行结构设计。在进行x向抗震分析时,与剪力墙 相连框支未设型钢的抗剪超限的情况列于表1。 3竖向荷载作用下框支柱的剪力 框架结构或框剪结构的框架柱由竖向荷载作用 引起的的截面水平剪力都较小且沿柱高相同,但对 于与剪力墙相连的框支柱,竖向荷载作用下柱的剪 力较大且剪力方向有变化。 现将本工程框支柱分为三类,即1单独框 支柱、2与x向剪力墙相连框支柱、3与x向 剪力墙相连框支柱。其中,具有代表性框支柱在恒 载作用下的x向剪力标准值列于表2,从表中可以 看出无剪力墙连接的单独框支柱剪力沿柱高相同, 与Y向剪力墙相连框支柱剪力在柱高方向上同号但 窦祖融,深圳泛华工程集团有限公司 Emai 1szdOuzr163.COm 数值有一些差异,与x向剪力墙相连框支柱剪力在 柱高方向上存在异号且数值相差很大。因此应在框 支柱的柱顶柱底截面分别组合剪力设计值,取二者 中较大值进行截面抗剪承载力验算。 X向设计翦力 0.15肛 蚋 趣出 昆值 柱编号 比例 0 烈 l; ZZ1 128 6 7378o 74%o K2 7479 629l l9% K2譬 一 7455 I529l l9% 冀2Z 7934 629I 26 KZZ15o 11650o 629l 85% KZZ l2618,o 629l 1OO% 表1剪压比超限的框支柱 一。l I _I_ ’ ’ ■ K 一 il KZZl叠 I旺ZI6 KZZI7 . ■ _ __ _| KZZt5 j _- 忧。 I. KZZI2 1 -。’ _ 二】 - I l .I_ -CZZ6 ICZZ7 I I I r--一l 1r-r ●CZZ3 -I 。。 li 。. ; ;I一..J一.j; ■ CZZ2/ KZZ 图1转换层结构平面图 』 图2竖向荷载作用下的受力示意图 19 2013年第10卷第1期 深圳土木与建筑 VOk.10 NO.1 2013 表2框支柱恒载作用下x向剪力标准值 墙、柱 恒载作用下.J 框支柱类别 截面尺寸p 的x向剪力p 编号 底部 顶部 Kzzlo l 00 xl2OD .847.5o 56. 与x向剪力墙相涟 KZ l2O0 xl2∞ -690.3 10.5 KZ l2o0 xl2伽 一587.60 88.7o 单独框支柱 XZZ14o l2o0 xl20o l , 169o l【2Zl3 l200 x120o 223 lo 2g7.9o 与Y向翦力墙相连 l【2Z17o l2o0 x12o0|., 一101.90 一l63.7,o XZZ18o l200 x12o0 l299o 一215.1 4水平荷载作用下框支柱的剪力 框架结构或框剪结构的框架柱在水平荷载作用 下,柱底截面的水平剪力均与水平外力方向相反, 而框支结构中与剪力墙相连的框支柱则不同。表3 中列出本工程三类框支柱在x向水平地震作用下 的柱顶和柱底的x向剪力,从中可以看出以下规律 1单独框支柱的柱底剪力与水平外力方向相反, 柱项剪力与水平外力方向相同,柱顶、柱底剪力值 大小相等;2与Y向剪力墙相连框支柱的柱底剪 力与水平外力方向相反,柱顶剪力与水平外力方向 相同,柱顶剪力值大于柱底剪力;3与x向剪力 墙相连框支柱的柱底剪力与水平外力方向相同,柱 顶剪力方向不定,柱底剪力值有时甚至远大于柱项 剪力。造成这一现象的主要原因是在水平荷载作用 下剪力墙和与其相连框支柱之间的共同工作。 如果不区分三类框支柱,表3中所有框支柱柱 底剪力代数和为866kN,其作用方向竟与水平外 力方向相同,这与框支柱是框支层抗侧构件的组成 部分的结构概念相违背。 墙、柱 x向水平地震作 墙、柱 X向水平地震作用下 框支柱类别 截面尺寸 用下的X向剪力 框支柱类别 截面尺寸 的X向剪力 编号 编号 柱底 柱顶 柱底 柱顶 KZZ1 1400 xl200 662.7 73.8 KZZ3 l200 xl200 .30.9 18O.3 与x向 KZZ2 1200 xl200 412.2 39.2 KZZ4 1200 xl200 .42.7 .135.8 剪力墙 KZZ6 1200 xl200 470.7 .141.8 KZZ5 l600 x31O0 .95.9 .581.6 相连 KZZ7 1200 xl200 349.7 226.3 KZZ8 1200 xl200 .104.2’ 一221-3 KZZ9 12O0 xl2O0 395 207.4 与Y向 KZZ10 1 700 3O0 317.7 .557.2 KZZl4 1200 xl200 160.8 160.8 剪力墙 KZZ11 1600 xl200 135.9 .3l6.4 单独 KZZ20 1000 x3l00 72.0 .72 相连 KZZ12 1200 xl200 130.1 -488.1 框支柱 KZZ21 1600 xl200 .8.O .8.0 KZZ13 1200 xl200 .80.3 .137.5 KZZ22 l000 x3 100 .70.8 .70.8 KZZ15 1200 xl200 67.2 716 KZZ16 1200 xl200 .75.6 .742.5 KZZ17 1200 x1200 .90.5 128.1 KZZ18 1200 xl200 .36.4 .84.4 表3附加剪力墙的方案 5高规中框支柱剪力调整规定 5.1与转换结构有关的调整系数 高规【2j第8.2.4条、第10.2.17条的条文说明 指出,在实际工程中转换层楼盖难以满足平面内无 限刚的假定,框支柱的剪力可达到理论计算值的几 倍;以及在设防地震或罕遇地震下,转换层的剪力 墙出现裂缝后刚度下降,框支柱分担的剪力会变大 很多。综上原因,框支柱在水平地震作用下的剪力 值应予以放大。 按照高规第10.2.17条规定每层框支柱的 数目不多于10根时,每根柱承受的剪力不应小于 20 0.03 ;框支柱的数目多于l0根时,每层框支柱承 受剪力之和不应小于0.3v0。即保证框支柱的层抗剪 承载能力的调整系数 可按下式计算框支柱的数 目不多于10根时, 一 ;框支柱的数目多于 “ 10根时, 0-3 。由此可见,在框支层中定义为 蕊 框支柱的数目、其剪力的数值与方向,对最终设计 结果有很大影响。 表4特一级框支柱的内力调整系数 框支柱 柱端弯矩 柱端剪力 抗震等级 增大系数qc 增大系数77 。 qcXqv 特一级 1.681.81 1.68 2.82 r3.02 2013年第10卷第1期 深圳土木与建筑 V0 L.10 NO.1 2013 另根据高规按照第3.5.7条规定,转换层上 下竖向抗侧力构件不连续,转换层属于薄弱层,地 震剪力应乘以1.25倍的放大系数。即薄弱层调整系 数 1.25。 5.2与抗震等级关联的调整系数 框支柱在进行内力组合时,还要根据其抗震等 级分别乘以柱端弯矩增大系数和柱端剪力增大系 数。本工程转换层框支柱属于特一级构件,如表4 所示,二者连乘后增大系数为2.82~3.02。 6程序计算方法存在的问题 本项目X向地震作用下的基底剪力为E876lkN。 根据程序计算结果,按代数和累jH22根框支柱柱底 剪力为∑ 866.2kN,调整系数77 箬 厶 cki 0.3x8761/866.23.03。但如以柱顶剪力结果为准 进行手算,其累积和为--4962kN,大于0.3 ,满足 规范要求,不需作内力调整。两个结果是完全相反 的。 以与x向剪力墙相连框支柱KZZ1为例,截面尺寸 为1400 x1200,柱底剪力设计值最不利工况的内力 组合公式为 V1.2 0.6 1.3VE 1 X 7720.28 简称“组合1”,即 1.2X845.70.6X0.55X140.61.3X662.7X 3.03X1.250.28x786.2x1.68x1.68--12826 kN, 大于表5的截面抗剪承载力上限值7378kN,截面抗 剪承载力不足,必须加设型钢才能满足要求。程序 对柱顶剪力也采用柱底剪力之和算出的系数 来 调整,柱顶剪力设计值最不利工况的内力组合同上, 即 1.2X56.40.6xO.55X4.21.3X73.8X3.03 X1.250.28x54.8x1.8x1.68--1354 kN,远小于 柱底剪力设计值。 以与Y向剪力墙相连的框支柱KZZ15为例,截 面尺寸1200 x1200,柱底和柱顶剪力设计值的最不 利工况的内力组合公式同为“组合1”,柱顶剪力 设计值为 1.2x20.70.6xO.55x48.61.3x716.Ox3.03 X 1.250.28x1022.2X1.8x1.6811650 kN,大于表 5的截面抗剪承载力上限值6291kN,截面抗剪承载 力不足,必须加设型钢才能满足要求;柱底剪力设 计值为 1.2x38.20.6xO.55x4.11.3x67.2x3.03x1.25 0.28x97.6x1.68x1.681144 kN,远小于柱顶剪 力设计值。 以SATWE程序计算结果中,柱底、柱顶剪力设 计值的较大值为准进行分析,截面抗剪不足的框支 柱在各工况下剪力成分及所占比例见图3、图4。 可见,地震作用下剪力占到65%~90%,是导致框支 柱的抗剪不足的主要因素。另外从表5中各工况下 剪力标准值的大小和“组合1”公式可以看出,使 用不合理计算出的调整系数r/ 3.03是造成本 工程框支柱抗剪不足的主要原因。 7建议的抗剪设计方法及应用 7.1框支柱剪力设计值的计算方法 根据以上分析,本文建议应根据3类框支柱的 剪力分布特点采用如下的剪力设计值计算方法以 计算框支柱x向剪力设计值为例1分别计算 柱顶、柱底剪力对应的调整系数 ,此时与X向剪 力墙相连框支柱的x向地震剪力标准值不计入 ;2单独框支柱取柱项、柱底中 较大的 』■_ ‘ 截面计算剪力设计值,一般情况下柱底,71较大;3 与Y向剪力墙相连框支柱应取柱顶、柱底截面剪力 组合值的较大值作为该框支柱的剪力设计值,这时 应分别根据各自的 和各工况剪力标准值来计算; 4与x向剪力墙相连框支柱取柱底截面计算剪 力设计值,此时柱底的 取1.0。 7.2按建议方法计算的结果 按此调整方法,不考虑与x向剪力墙相连的6 根框支柱,对其它类型的16根框支柱计算调整系 数 。柱底截面∑ 一1519.ol ,叩 “ 0.3x8761/1 51 9.01.73;柱顶截面 V --4600.8kN, 一0.3VoO.3x8761/4600.80.571.0, 一∑ 取77 1.0。表4.5列出原来截面抗剪不足的框支柱, 其中KZZ1、KZZ6、 KZZ7、 KZZ9属 于与x向剪力墙相连框支柱,取 为1.0, 计算出的柱底截面剪力设计值都符合抗 剪承载力要求;其中KZZ 1 5、KZZ l 6属于 与Y向剪力墙相连框支柱,例如KZZ 1 5, V顶 r1.2x20.70.6x0.55x48.61.3x71 6.0 x1.0 x1.250.28X1022.21 x1.8X1.684507kN, V底 1.2x3 8.20.6x0.55x4.11.3x67.2x1.73x 1.250.28X97.6X1.68X1.68743.5 kN,满 足截面抗剪要求。 21

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