穿層柱框剪結構抗震設計探討

吳敏應

(翰林(福建)勘察設計有限公司　福建福州　350011)

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穿層柱框剪結構抗震設計探討

吳敏應

(翰林(福建)勘察設計有限公司福建福州350011)

以某帶穿層柱框剪結構辦公建筑為例，對該結構進行多遇地震下的振型分解反應譜法計算，分析其結構整體和穿層柱的受力情況，并根據局部穿層柱所占地震剪力的百分比來判斷其對整個結構影響的大小。分析結果表明，穿層柱可不計入結構不規則一項，結構僅存在扭轉不規則和體型收進不規則問題，不屬于超限高層建筑。最后，針對不規則問題采取相應的加強措施。

框剪結構；穿層柱；抗震設計；地震剪力；加強措施

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0　引言

辦公樓、商業及綜合性建筑，為了滿足建筑大空間、高挑空及立面效果等要求，往往樓板開大洞，局部樓板不連續，樓層處不能設梁，形成大量的穿層柱，導致結構平面、豎向不規則。文獻[1]規定：“如局部的穿層柱、斜柱、夾層、個別構件錯層或轉換，或個別樓層扭轉位移比略大于1.2等局部的不規則，視其位置、數量等對整個結構影響的大小判斷是否計入不規則的一項”。文獻[2]指出：“局部不規則數量一般部位不超過25%，關鍵部位不超過10%”。如一律將局部穿層柱計入不規則的一項，加上結構平面、豎向或扭轉不規則其中的兩項，往往使得高層建筑超限，需要進行超限專項審查。文獻[1,2]中數量百分比對于框架結構可以比較容易直接計算；而對于框剪結構較難直接反映出剪力墻與框架之間在數量上的等值關系。因此，可對局部穿層柱結構進行整體計算分析，根據局部穿層柱所占地震剪力或傾覆彎矩的百分比來判斷其對整個結構的影響大小，判定是否計入不規則的一項。

1　工程概況

圖1　建筑立面圖

本工程位于福州市晉安區連江路和塔頭路交叉路口南側的原福州二化集團有限公司氮氧站內，總建筑面積為6.8萬平方米，采用鋼筋混凝土框剪結構，地下3層，地上25層，建筑高度97.80m，裙房6層，裙房高度21.3m，一層層高為4.2m，二層層高為4.5m，三～五層層高為4.2m，六層層高為4.0m，七層標準層以上層高為3.7m，建筑立面見圖1。二層結構平面圖及柱截面尺寸見圖2所示，主樓外圍柱網8.4m×9.9m，南面裙房柱網8.4m～11.0m×12.0m，2層東面門廳部分樓板挑空，存在6根柱子沒有X、Y向樓層梁連接，形成高度為8.7m的穿層柱。三～六層結構平面圖及標準層結構平面圖見圖3、圖4所示，六層以上南面裙房尺寸收進12.0m，形成豎向不規則。

圖2　二層結構平面圖

圖3　三～六層結構平面圖

圖4　標準層結構平面圖

本工程在設計考慮的環境類別下的結構設計使用年限為50年，建筑結構安全等級為二級；建筑抗震設防類別為丙類，所在地區的抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度0.10g，設計地震分組第二組；場地類別：Ⅱ類；特征周期Tg=0.40sec，建筑類別調整后用于結構抗震驗算的烈度7度；按建筑類別及場地調整后用于確定抗震等級的烈度7度；建筑結構的阻尼比取0.05；地下二層至地上二十五層：框架抗震等級為二級(局部一級)，剪力墻抗震等級為二級；地下三層：框架抗震等級為三級，剪力墻抗震等級為三級。

2　結構計算與分析

2.1主要計算結果

本工程考慮地下室頂板局部錯層，以地下一層底板作為上部結構嵌固端。大開洞及穿層柱樓層定義為彈性樓板，以真實反映穿層柱受力情況。采用YJK建筑結構設計軟件進行多遇地震下的振型分解反應

譜法計算分析，結構三維分析模型見圖5。主要計算結果見表1。

圖5　結構三維分析模型

由于框剪結構在水平荷載作用下，框架結構的側向變形曲線以剪切型為主，而剪力墻的變形則以彎曲型為主。根據《建筑抗震設計規范》5.2.6條的規定，結構樓層水平地震力宜按抗側力構件等效剛度的比例分配，則穿層柱剪力可近似由柱總剪力按其等效剪切剛度的比例分配估算求得。各穿層柱剪力可按式(1)估算：

Qi=(GAi2/h2)×F/(ΣGAj1/h1+ΣGAi2/h2)

(1)

(i=1… …6，j=1… …n)

式中，G—為混凝土剪變模量；

Qi—為穿層柱剪力；

Ai2—為非穿層柱截面面積；

Ai2—為穿層柱截面面積

h1—為非穿層柱高度；

h2—為穿層柱高度；

F—為柱總剪力；

根據(圖2)各框架柱的截面尺寸、(表1)框架柱總剪力及式可1)近似求得各穿層柱估算地震剪力見(表2)。

穿層柱計算長度系數：

μ=(μ1×H1+μ2×H2)/(H1+H2)

(2)

式中，H1、H2分別一、二層層高；

μ1、μ2分別為一、二層柱計算長度系數，按《混凝土結構設計規范》表6.2.20-2取值。

通過式(2)修改穿層柱計算長度系數，采用YJK軟件對結構進行整體計算分析， 查看各構件內力取得各穿層柱實際最大地震剪力見(表3)。

表3　穿層柱實際最大地震剪力

2.2結果分析

(1)計算結果表明，考慮偶然偏心地震作用下，計算結構剛性樓板假定的位移比三～二十四層均大于1.2，且三層穿層柱頂位移比最大為1.34，屬于扭轉不規則。

(2)結構六層以上豎向構件收進位置大于20% (21.3m大于97.8mx20%=19.56m)且收進尺寸大于25% (12.0m 大于40.2mx25%=10.05m)，屬于豎向不規則。

(3)二層東面門廳位置存在6根穿層柱見(圖2)，屬于局部不規則。計算結果表明，通過等效剪切剛度近似估算的所有穿層柱地震剪力百分比與通過整體計算所得穿層柱實際最大地震剪力百分比均很小，僅為5%左右，滿足文獻[2]中“關鍵部位不超過10%”的規定，且穿層高度僅為8.7m，柱截面為1.2mx1.2m，不屬于長細柱，可不考慮壓桿屈曲穩定。綜合依據文獻 [2，3]判定該工程局部穿層柱可不計入不規則的一項。

3　設計加強措施

(1)由于穿層柱計算高度大，等效剪切剛度較小，往往柱頂位移比最大，應采取相應加強措施。本工程對穿層柱按本層所有框架柱地震剪力的平均值[3]和主樓周邊非穿層柱地震剪力[4]兩者較大值進行其抗彎和抗剪承載力設計，增加其安全儲備。通過提高其縱筋配筋率，縱筋接頭均采用機械連接，接頭等級為一級，柱箍筋沿全高加密等措施保證構件的抗震承載力。

(2)對主樓周邊12根剪跨比小于2的框架柱及6根穿層柱增設縱筋配筋率大于0.8%的芯柱，提高軸壓比限值[5]，以改善其延性性能。芯柱設置見(圖6)。

圖6　增設芯柱大樣

(3)依據文獻[5]對6層體型收進部位的樓板及其上、下層結構樓板設置板厚不小于150mm，板配筋不小于0.25%的雙層雙向鋼筋網。六層收進部位上、下各2層主樓周邊框架柱抗震等級提高為一級，同時下部2層裙房框架柱抗震等級提高為一級，加強構造配筋。加強部位示意圖見(圖7)。

圖7　加強部位示意圖

(4)對頂板局部錯層部位主梁按《全國民用建筑工程設計技術措施》[6](混凝土結構) 12.3.2條進行加腋處理，確保地震力能有效傳遞。

4　結論

通過對該結構進行多遇地震下的振型分解反應譜法計算分析了結構整體和穿層柱的受力情況，根據局部穿層柱所占地震剪力的百分比來判斷其對整個結構影響的大小。分析結果表明，穿層柱可不計入結構不規則一項，結構僅存在扭轉不規則和體型收進不規則問題，不屬于特別不規則超限高層建筑。針對不規則問題采取相應的加強措施，可供類似工程參考。

[1]國家建設部.建質[2015]67號，超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點[S].

[2]DB22/T480-2012，建設工程抗震超限界定標準(建筑工程部分)[S].

[3]二化集團生產調度研發中心結構設計存在的有關問題專家論證意見[Z].2014.3.28.

[4]林寶新，路斌.某帶穿層柱框架結構的抗震性能分析[J].合肥工業大學學報(自然科學版)，2013,36(5):610-615.

[5]JGJ3-2010 高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[6]住房和城鄉建設部工程質量安全監管司.全國民用建筑工程設計技術措施(混凝土結構)[M].北京:中國計劃出版社，2012.

吳敏應(1982.4-)，男，碩士，一級注冊結構工程師，工程師。

Discussion for seismic design of frame-shear wall structure with skip-floor column

WUMinying

(Hanlin (Fujian) Investigation and Design Co.,Ltd,Fuzhou 350011)

The frame-shear wall structure with skip-floor columns in the office building is taken as an example . The skip-floor column effect on the whole structure is evaluated according to the percentage of the seismic sheer force of the skip-floor column through the analysis of the whole structure by mode-superposition response spectrum method under frequent earthquakes. The results show that the skip-floor columns is not included in the irregular structure, and the structure does not belong to out-of-codes high-rise building, which only includes irregular problems of torsion and step-back. The strengthen measures to deal with irregular structure are helpful for providing reference for similar projects.

Frame-shear wall structure；Skip-floor column；Seismic design；Seismic shear force；Strengthen measures

吳敏應(1982.4- )，男，一級注冊結構工程師，工程師。

2015-12-25

TU973+.31

A

1004-6135(2016)01-0077-05