關於剪力牆底部加強區與約束邊緣構件的兩個小爭議

關於剪力牆底部加強區與約束邊緣構件的兩個小爭議

01 底部加強區

底部加強區的官方定義:

抗震設計時,為保證剪力牆底部出現塑性鉸後具有足夠大的延性,應對可能出現塑性鉸的部位加強抗震措施,包括提高其抗剪切破壞的能力,設置約束邊緣構件等,該加強部位稱為“底部加強部位”。

底部加強區的範圍,規範規定地很明確,即從結構計算嵌固端起算(一般設置在地下室頂板)。 在計算底部加強部位高度的時候,有一個“牆體總高度 1/10”的概念;但對帶轉換層的高層建築,規範又引出了一個“房屋高度的 1/10”,這兩個有啥不一樣呢?

個人認為,應該保持一致才對,即使在措辭上,也應該保持一致,統一為“房屋高度”(這也是老朱的建議)。規範對“房屋高度”這個概念有規定,即,自室外地面至房屋主要屋面的高度。

實際操作中,會出現一些小問題。其一,室外地面的標高可能是變化的;其二,底部加強區是一個結構概念,但室外地面標高更多的是一個建築術語,二者嵌套在一起,有些不倫不類。基於這些原因,建議在實際操作的時候,如果要定義房屋高度,從計算嵌固端算到房屋主屋面比較妥當,這樣也會清晰方便很多。

上面討論的是計算嵌固端就在地下室頂板的情況,那如果不在地下室頂板呢?比如在頂板下一層。如果是這樣的話,房屋高度從嵌固端開始算(負一層樓面),會比規範的定義多算了一層。但按照規範,底部加強部位還是要延伸到計算嵌固端的。無論怎樣,底部加強部位的設置起點都在計算嵌固端。

實際計算時,按這兩種操作辦法,房屋高度不同,可能導致底部加強區的層數相差一層。相差的一層是在底部加強區的上部。

順便插個題外話。

我們想想,為什麼計算嵌固端會取到地下室一層,而非地下室頂板呢?真實情況很可能是,地下室單側或多側臨空,或出現了半地下,或地下室大開洞等,從側向約束這個角度來評判,地下室頂板不符合嵌固端條件。否則,設計院一定會想盡辦法將嵌固端設在頂板的。既如此,從室外地面起算的房屋高度,對結構計算有何意義呢?

關於底部加強區,再提個醒。

實際工程中,常碰到一些多層建築,對這種建築,《抗規》有特殊規定。對一般結構的抗震牆,房屋高度不大於24m時,底部加強部位可取底部一層。這點要注意,如果按高規的習慣性經驗,很可能會取為兩層了,這樣就沒必要了。

最後,再說說老朱提到的“剪力牆總加強範圍”這個概念。書中給出的定義是:

底部加強部位及其向下延伸至嵌固端的下一層(當嵌固端在基礎頂時,延伸至基礎頂面)

這一條,未看到規範依據。為何要將底部加強範圍擴大到嵌固端的下一層呢?嵌固端下一層需要加強,但規範已另有規定。比如:

1)地下一層相關範圍的抗震等級應按上部結構採用。原因是:地下室頂板作為上部結構的嵌固部位時,地震作用下結構的屈服部位將發生在地上樓層,同時將影響到地下一層。這和老朱的出發點是否一致呢?

2)地下一層柱截面每側的縱向鋼筋面積除應符合計算要求外,不應少於地上一層對應柱每側縱向鋼筋面積的1.1倍。原因是:當地下室頂板作為上部結構的嵌固部位時,地下室頂板及其下層豎向構件的設計應適當加強,以符合作為嵌固部位的要求。這是否又和老朱的出發點一致呢?

如果答案是肯定的,說明嵌固端下一層已經加強。繼續提高的理由並不充分,至少這是沒有依據地提高。雖然,我看到個別設計院將地下室一層也當做底部加強範圍(頂板為嵌固端),同時也設置了約束邊緣構件,但確實沒有找到依據。

02 約束邊緣構件

之前在看某設計院圖紙的時候,部分框支剪力牆結構,地上三四十層,地下四層,嵌固端選在地下室頂板,但約束邊緣構件一直設到了地下四層。這樣有無必要呢?

其實,弄清了底部加強區的概念,會很清楚地知道,這樣做是沒有必要的。設置約束邊緣構件是底部加強區的一種抗震構造措施。目的是為了提高該部位的抗震延性能力和塑性耗能能力。地下室不牽扯這些問題,有什麼必要設置約束邊緣構件呢?退一步講,如果仔細讀規範,也可以看出這一點。

規範在規定約束邊緣構件時,給出了兩條件一範圍。

兩條件:1)軸壓比超過規定值;或者,2)部分框支剪力牆結構;

一範圍:底部加強部位及相鄰的上一層;

非常清楚,對不對?

實際操作,會遇到這樣一個問題。規範規定,判斷軸壓比是否超過規定值時,選取的位置是,底層牆肢底截面,通常情況下,就是地下室頂板處的牆肢截面。對一個非框支的剪力牆結構,假如底部加強部位為三層,加上上一層,共四層,底部兩層的軸壓比沒有超過規定值,三四層軸壓比超過規定值(出現這種情況的原因是,變截面或設置型鋼範圍不同),那究竟是否需要設置約束邊緣構件?或者是,底部兩層不設置,三四層設置?

針對這個問題,老朱的建議是:

底部加強部位及相鄰上一層的剪力牆,避免出現牆厚變化,剛度變化;

複雜工程,確實出現這種情況時,應以底部加強部位高度範圍內牆肢的最大軸壓比數值來確定是否設置約束邊緣構件。

有無必要呢?理論上來說,沒有必要。因為設置約束邊緣構件,是為了提高抗震延性能力,而軸壓比是和延性能力有關的,控制同樣的延性能力,軸壓比小,不需要設置約束邊緣構件,只要軸壓比較大時,才需要設置。《混規》條文說明,有一段話,講得很清楚。

為保證底部加強部位的抗震延性能力和塑性耗能能力,通常採用的抗震構造措施包括:1)對一、二、三級抗震等級的剪力牆肢和筒壁牆肢的軸壓比進行限制;2)對一、二、三級抗震等級的剪力牆肢和筒壁牆肢,當底部軸壓比超過一定限值後,在牆肢或筒壁牆肢兩側設置約束邊緣構件。

如果同意上述觀點的話,理論做法應該是,底部兩層不設置,三四層設置約束邊緣構件,是不是有點反直覺?

也許你已經注意到,我一直在強調“理論”這兩個字。原因在於,真實情況,可能是,底部兩層,部分豎向構件軸壓比小於規定值,部分大於規定值,三四層也是。這樣的話,理論做法的操作性比較差,在時間緊,任務重的情況下,老朱建議的方法不失為一種可行的保守做法。但既然已經明白了這是偏保守做法,其他人為放大就可以不要了罷。

以上僅為個人觀點,歡迎討論。


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