框架結(jié)構(gòu)夾層設計方法探討

高培文，龐臣軍

（1.中國城市建設研究院有限公司，北京100120；2.河北寰球工程有限公司，河北 保定072750）

1 引言

框架結(jié)構(gòu)因門廳大堂、過街通道、設備專業(yè)等建筑使用功能要求而設置夾層。夾層一般層高較小，多數(shù)情況下小于2.2m，較小的層高導致夾層框架結(jié)構(gòu)柱剪跨比小于2，形成短柱。短柱破壞形式為剪切或黏性破壞，結(jié)構(gòu)延性較差，屬于脆性破壞，歷次大地震中短柱破壞仍然是造成鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)破壞甚至倒塌的一個重要因素[1]。設計中對剪跨比小于2的短柱，通常采用減小軸壓比限值、增大箍筋面積、加密箍筋配筋等措施，但剪跨比太小（小于其臨界值），以箍筋屈服起控制的剪切破壞對剪跨比作用將不敏感[2]。框架結(jié)構(gòu)夾層的存在引起結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則，側(cè)向剛度突變、樓層承載力突變等一系列問題，設計中若不采取措施，結(jié)構(gòu)計算指標難以滿足規(guī)范要求，同時地震過程中，短柱塑性變形集中，豎向構(gòu)件損傷比較嚴重，影響結(jié)構(gòu)的抗震安全性能[3]。

2 剪跨比及其對框架結(jié)構(gòu)的影響

剪跨比為框架柱所受彎矩與其剪力和柱的有效截面高度之比，其計算公式為：

式中，λ為剪跨比；Mc、Vc分別為柱端截面組合彎矩、剪力計算值；h0為截面有效高度。

通常情況下，剪跨比宜大于2.0，剪跨比小于2.0而大于1.5的框架柱稱為短柱（即反彎點位于柱高中部時，柱凈高與截面高度之比小于4的柱）；剪跨比小于1.5的框架柱稱為超短柱。

剪跨比λ的大小決定框架柱的破壞方式：當λ＞2.0時，框架柱延性較大，水平荷載下發(fā)生彎曲破壞；當λ＜2.0時，框架柱成為短柱，結(jié)構(gòu)延性較差，水平荷載下發(fā)生剪切或黏性破壞。剪跨比λ對框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，主要表現(xiàn)在隨著λ提高，框架結(jié)構(gòu)柱延性增大，變形性能增強。

3 工程概況

3.1 基本信息

某工程位于海南省海口市，結(jié)構(gòu)形式為現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)，地上5層，局部有1設備夾層（層高1.8m），地下1層，結(jié)構(gòu)高度28.5m。建筑結(jié)構(gòu)的安全等級為二級，設計使用年限為50年，建筑抗震設防類別為丙類（標準設防類），抗震設防烈度為8度，設計地震分組為第一組，設計基本地震加速度：0.20g，建筑物場地類別為Ⅱ類，框架抗震等級為一級。

3.2 設備夾層處理

設備夾層框架柱截面為800mm×600mm，框架梁截面為400mm×800mm，按普通混凝土梁板夾層（以下簡稱模型1）設計，柱凈高與截面高度之比遠小于4，可以判斷該層框架柱為短柱。模型1設備夾層框架柱計算剪跨比為0.94，為超短柱，短柱效應明顯，從而導致整體結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則、側(cè)向剛度突變、樓層承載力突變等，加上酒店大堂樓面板布置不連續(xù)開洞率大于30%，根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》（2016年版）和《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術(shù)要點》的相關(guān)規(guī)定，該結(jié)構(gòu)屬于特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設計應采取更加有效的措施。

模型計算時，設備夾層采用鋼梁鉸接組合樓板夾層（以下簡稱模型2）設計，框架柱與鋼梁之間留設變形縫，框架柱預埋連接板與鋼梁采用高強螺栓連接，連接處螺栓孔采用長圓孔。計算模型中鋼梁與框架柱鉸接連接，同時設置變形縫，鋼梁鉸接組合樓板層僅傳遞豎向荷載，鋼梁軸線方向不限制變形，避免其抗彎剛度對框架柱的影響，梁柱連接處框架柱不會形成塑性鉸，框架柱計算剪跨比時可以不考慮鋼梁的作用，避免夾層產(chǎn)生短柱效應，同時模型計算假定與工程實際基本符合。

參考管架與主體建筑防震縫Δ計算公式：

式中，βd為大震作用于小震作用之比；ΔE為架空連梁跨度方向小震反應譜彈性水平位移。

計算中ΔE值取計算模型中層間位移計算值，按式（2）防震縫寬度計算值為23.4mm，結(jié)合工程實際，建議設計取值為40.0mm，鋼梁與框架柱埋板連接處螺栓采用10.9級M24的高強螺栓，長圓孔采用80mm×25.5mm。

4 計算結(jié)果

與模型1對比可知，模型2框架柱剪跨比計算值為2.82，大于2，滿足規(guī)范限值要求（規(guī)范要求計算軸壓比限值時，框架柱剪跨比宜大于2），能夠避免模型1框架柱剪跨比太小而引起的超短柱脆性破壞問題。

圖1為模型1與模型2框架結(jié)構(gòu)X向和Y向側(cè)向剛度比對比圖，通過圖1可知，X，Y方向本層側(cè)移剛度與上一層相應側(cè)移剛度70%的比值或上3層平均側(cè)移剛度80%的比值中之較小者大于1.0，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較規(guī)則。

圖1模型1與模型2側(cè)向剛度比對比圖

圖2模型1與模型2樓層承載力比對比圖

圖2為模型1與模型2框架結(jié)構(gòu)X向和Y向樓層承載力比對比圖，通過圖2可知，X，Y方向本層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間承載力與上一層的承載力之比大于0.8，樓層承載力較均勻。

通過對比普通混凝土梁板夾層與鋼梁鉸接組合樓板夾層的計算結(jié)果：鋼梁鉸接組合樓板夾層模型計算剪跨比值2.82，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比值RatX1=1.098 2、RatY1=1.070 1，樓層承載力比值RatioX=1.02、RatioY=1.18，以上計算指標值比較合理，均能滿足規(guī)范要求滿足。

5 結(jié)語

框架結(jié)構(gòu)采用鋼梁鉸接組合樓板夾層，通過框架柱與鋼梁連接處設置合理變形縫值的計算模型，計算假定與工程實際相符合，計算結(jié)果表明，框架結(jié)構(gòu)計算剪跨比、側(cè)向剛度比、樓層承載力比等計算指標值均滿足規(guī)范要求，可以解決框架結(jié)構(gòu)夾層因剪跨比較小引起的框架柱短柱問題，對今后類似項目有一定的設計參考價值。