[分享]浅谈结构抗震概念(十三)

发表于2020-09-13     95人浏览     2人跟帖     总热度:430  

浅谈结构抗震概念(十三)

转自公众号:土木吧


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  本来计划开始谈结构弹塑性阶段的设计,但以弹性为主的结构分析有些重要的概念还没说完,还是接上期继续聊吧。

   我们在分析框架、剪力墙、框剪结构时一般可仅考虑一个方向的单榀体系,顶多考虑垂直方向的剪力墙的翼縁的作用,但对于筒体结构,因其空间作用太明显了,即使简化计算,也应该当成空间整体进行分析。

 

   一:单筒结构

   先从最简单的单筒结构进行谈起,在高层民用建筑结构中,单纯的单筒结构并不多,但也有个别的例子,比如同济大学的图书馆就是用8米多方形单筒四周悬挑出7.5米的框架。因框架柱不落地,节约了首层占地,老图书馆得以保留,但这种情况不可能建的太高,该建筑高度50米。

  单筒的水平受力类似于悬臂的箱型梁。因为它很像一个单独的悬臂梁构件,容易说明问题。见下图:

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  图中最下面的图形是密集的框柱和高厚的梁形成的所谓的框筒结构,受力和实腹筒类似。当然把框筒理解成实腹筒体开了规则的小洞就像剪力墙开小洞仍可以当成整片剪力墙来理解一样。

   看到这个图形,大家一定不约而同的想到一个概念:剪力滞后效应(shear lag effect)。剪力滞后效应几乎所有结构小到一个构件比如平截面假定的梁、T型梁考虑翼縁的多大宽度范围;大到一个结构比如上图的筒体或框筒等都会受到剪力滞后效应的影响,见下图:

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  剪切力是一对距离很近、大小相同方向相反的作用力会使材料产生错动变形。剪刀剪指甲使指甲发生了剪切变形,但指甲刀“剪”指甲和菜刀“切”菜均不是剪切,实际上是压力“压”断的,大家可以自己脑补下。我们材料力学中的平截面假定是忽略了纵向纤维层之间的剪力产生的剪切变形(见上上图中筒体腹板的变形的特征),这也可以叫忽略了剪力滞后的效应。

   框筒因为开了很多小洞,其剪力滞后效应比实腹筒的剪力滞后效应大的多。实际上我们一般谈到框筒中筒的剪力滞后效应也主要指的是外框筒的剪力滞后效应。外框筒的剪力滞后效应不仅仅与框筒梁的剪切刚度有关也和其抗弯刚度有关,见下图:

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    和大家交流一种“思维方式”,可以应用到很多地方,尤其在概念理解方面非常有效。任何时候当结构某种效应和某参数有关系时,就可以设想成这种参数假如为两个极端,最小到0,最大到无穷大,然后想象是个什么结果,这个结果很容易想象出来(参上图的两个极端)。这样就能发现这个参数对这种效应的影响的方向,即正影响还是负影响。我的一篇《地震下山地建筑的地下挡墙受力思维实验》即是这个方法在地震下土体对外墙侧向推力思考的具体描述。

    还可以再举一个例子,比如下面的地基土刚度和地基反力的例子。

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   还有很多,比如地基基础计算是否考虑上部结构的刚度的作用,可以设想上部结构刚度为零比如一个单层排架结构、或上部结构无限刚比如瘦高的塔楼等,这时候对地基基础受力的是个什么状态。

  我们上期浅谈的提到双肢剪力墙连梁的作用,当连梁刚度为零(仅楼板连接)和刚度非常大(很小的洞口)双肢墙受力的样子,就可以知道连梁的作用了,当然还有很多很多。

   我理解结构大部分的复杂概念时都会用到这种思维,屡试不爽,这种叫思维实验,伽利略就是通过这种极端情况下(实际自然界不存在,只存在于人脑的思维中)思维实验得出了不受力的物体将匀速运动的结论。

   框筒结构的翼縁框架剪力滞后效应和框筒梁的抗弯刚度和抗剪刚度之和相关,抗弯和抗剪的作用谁大和梁的跨高比直接有关,也就是剪跨比有关,大家可以看本系列的浅谈(十一)。和我们把框架柱的弯剪变形直观看起来更像剪切变形一样,这里的梁的剪弯变形通称剪切变形(实际上因框筒的梁的断面很大,是以剪切变形为主,这和框架柱和梁的以弯曲变形为主是不一样的)。

   通过简单的上述分析可知,要想提高翼縁框架的整体作用,柱越密、梁越高越好。

   

   二:连梁塑性铰的作用

   在地震区,单独的实腹筒或框筒类似一根悬臂梁的静定结构,没有多余的约束形成二道防线,容易在底部出现塑性铰造成整体结构倒塌,不是一个好的结构形式。

   因此,应该在实腹筒上开适当大小的洞口,类似连肢剪力墙,连梁形成塑性铰作为抗震的第一道防线。

   连梁还可以通过跨高比的调整调节墙肢的受力状态。剪力墙结构双肢剪力墙一般不宜出现小偏心受拉的墙肢,是因为墙肢受拉容易产生通缝而丧失抗剪能力。这时可以加大连梁的跨度,减少剪力墙的整体性,从而减少墙肢的轴向拉力来避免偏心受拉,尤其是小偏心的情况。当然这样做会降低该剪力墙的水平刚度。没关系的,楼板的协同作用会对剪力墙承受的水平力进行重新分布。实际上出现小偏心受拉墙肢时,很可能是该剪力墙的洞口开的太小了,使连梁的整体性太强造成的,所以适当加大洞口一般就可以消除。 

   这段就算对一位读者提出的当小偏心墙肢拉力大于2倍的混凝土拉应力限值时如何解决的回答吧。 

   连梁和一般框架梁的不同,跨高比小,承担的垂直荷载很小,主要起到剪力墙墙肢的连接约束作用。可以通过调整洞口的大小即连梁的跨高比使连梁在水平力作用下先行弯曲屈服,形成第一道防线。

   我们平常说框架结构要做到“强柱弱梁”,希望地震下梁先与柱破坏。实际上因为现浇楼板整体作用,在大震下很难做到梁先于柱子破坏,即使能做到梁破坏而柱子完好,但因为梁承担很大的垂直荷载,很难修复,往往不能不拆除重建。

   但连梁就不存在这个问题,因为连梁承担的竖向楼板荷载很小,即使破坏也很容易局部拆除重新浇筑修复。

   凡具备这个特点的构件都是很好的多道防线的首道防线的构件,比如阻尼器本身不属于构件,坏了换了就是。支撑等也是这样,破坏了可以很方便的更换。

   所以即使能做到“强柱弱梁”的框架结构的设计,可以保证大震不倒,但不能做到可以修复。所以我建议在高烈度地区(7度及以上),四、五层以上的框架结构都应该做成框剪结构。剪力墙本身可以设计成多肢剪力墙,形成良好延性的具有二道防线的多肢剪力墙。

   有一个设计理念就是框剪结构的二道防线即剪力墙是第一道防线,而框架作为第二道防线。筒体结构的框筒结构,内筒的实腹筒作为第一道防线,外框筒作为第二道防线。但框架-核心筒体系框架因为柱子很稀,很难成为第二道防线,所以要求对核心筒的第一道防线的延性设计就非常重要了。

   如果在这些具有二道防线的结构中的剪力墙在设计成多肢剪力墙,那剪力墙本身又多了一道防线,即为延性剪力墙。


    三:林同炎美洲银行设计案例分析

    这是一个著名的案例,几乎每一本介绍抗震剪力墙的书上都会介绍,本浅谈也不例外。林大师的设计的结构平面如下: 

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   按说这个结构已经是筒中筒的二道抗侧力体系了。但这两个体系均类似悬臂梁抗侧力体系,即两道防线本身都不是超静定结构。大师将核心筒变成了四个小角筒,用开了洞的连梁连接起来,实际是将实腹核心筒的第一道防线变成了双肢剪力墙结构的连梁+墙肢体系了。连梁成了这道防线里的第一道防线了。

    很多人不一定能很好理解地震作用下多道防线结构受力的性质。地震荷载不同于一般的外荷载,它和结构自身的特性(质量、刚度)有关系,质量无法改变,但结构的刚度是可以改变的。

   地震力的特点是你强我就大,你弱我就小。但片面的理解这点,设计也可能会不安全,比如为了减小地震力,结构做的很柔,企图减少地震力,这样结构即使在小震的情况下的位移也可能很大,造成非结构构件的破坏,结构主体的开裂、破坏甚至倒坍,这是有深刻教训的。

   

   能否设计成这样的一种结构呢?

   在小震的时候,结构的刚度较大,即使遭受因结构刚度大在小震层面下的较大的地震力,结构也不会有大的位移和内力,结构完好无损。当结构万一遭遇大震的情况下,结构的刚度如果仍然不变,地震力就会非常大,再强的结构构件都可能破坏,如果损坏的构件使结构变成了机构比如框架的底层柱、实腹筒的底部等出现破坏,结构就会倒塌。但如果使某些预想的构件首先屈服,结构整体刚度迅速变小,结构遭受的地震力在大震层面下相对较小(但还是要远远大于小震层面下的地震力),这样结构位移虽然比小震下大,但还是原小于刚度不变大震下的内力和位移,结构不至于倒塌,如果设计好的情况,除预想的构件屈服破坏外,主要的结构完好无损。也可能虽然位移很大,某些非结构破坏,但可以修复后继续使用。

    我论述这个概念似乎并不复杂,但其实是站在历史上很多优秀结构工程师肩膀上的,比如林同炎大师。上世纪60年代,人们对抗震的认识并不是很清楚,所以林同炎设计的马纳瓜银行成功就是一个著名的优秀的抗震结构的案例,引起了世界的关注。

  下面是该结构的抗震动力分析:

  1、该项目设计的地震动加速度为0.06g,相当于我国8度设防小震地震动(0.07g)弱一点,连梁不屈服四个角筒共同受力时:

   周期:1.3秒,基底剪力:2700t,倾覆力矩:93000t.m,顶部位移120mm。

   建筑实际遭受的地面振动加速度为0.35g,大于设计地面加速度约6倍,相当于我国的9度基本设防烈度的加速度稍小一些。

    如果结构刚度不变,上述的地震力将增加约6倍,结构受力最大的首层极可能破坏甚至倒塌。

   而如果考虑四个角筒单独作用即角筒之间的连梁破坏失去作用,结构的在设防地震(0.06g)的作用下,受力如下:

   周期:3.3秒,基底剪力:1300t,倾覆力矩37000t.m,顶部位移240mm,结构受力大约是连梁未破坏的40%,但位移增加了一倍。

    这是设防烈度下0.06g下,假设连梁失去作用后的受力。在实际地震下(0.35G),地震力增加6倍计算,基底剪力:7800t,倾覆力矩222000t.m,顶部位移1440mm。

   地面加速度增加了6倍,但结构内力相对于刚度不变时,增加了不到3倍,使结构经受了考验。

   实际的结构受力比这个要复杂的多,我只是用简单的描述和简化的数据让大家更容易理解多道防线的意义。

   多道防线是结构体系层面的设计,而构件本身的延性比如“强剪弱弯”是构件层面的。设计要从宏观到微观,即先考虑结构体系层面的多到结构体系防线,再考虑微观下的构件的延性设计,不可混淆来谈。

   框架结构的强柱弱梁严格讲是构件层面的,不是多道防线,上文已经提及。

   

  四:筒体结构的讨论

   1、单筒结构是抗震不利结构,除非特殊情况或层数不高时可以采用。实腹单筒可以开洞形成连梁,设计成两道防线的单筒结构。框筒的单筒结构很少采用,仅概念上存在。

   2、筒中筒(外框筒、内实腹筒)是很好的高层建筑的结构形式。可以提供二道抗震防线。但如果在内筒上开规则的洞口形成连梁,内筒本身就形成了两道防线,使结构变成了三道防线,林大师的设计的美洲银行就是一个成功的案例。

   剪力滞后的不利影响和外框筒的开洞率直接相关,几乎所有资料都已提到,不再赘述。

   3、外框筒的角柱轴力很大,其拉轴力甚至超过重力荷载而形成小偏心受拉柱,对柱子受力不利,但又不能采用上文所述的那种办法来解决,即当双肢剪力墙出现小偏心受拉时采用加大洞口降低连梁刚度的方法来降低整体性从而避免小墙肢的偏心受拉,因为这样会减小框筒的整体作用。所以应该采用加大角柱的面积以增加自重,同时设置角梁增加楼面荷载压重的方法。

   4、框架-核心筒体系因为外框架太稀疏,剪力滞后太严重到无法形成共同作用,即柱子难以产生拉压轴力从而形成整体抗倾覆力矩。翼縁框架甚至连一般框架-剪力墙的框架作用都没有,仅腹板框架可以形成框架作用,框架的第二道防线难以形成,所以框架-核心筒一般建造的不能太高。

   有不少书籍说外框架除角柱外,翼縁柱水平荷载下产生的轴力很小。但角柱的轴力其实也不大,因为腹板框架和普通的框架基本相同,在水平作用下,因楼层梁剪力产生的柱轴力并不大。

   5、可以在外框架柱和内筒之间在墙体平面内设置楼层梁,加大外框架柱与剪力墙的整体作用(楼层梁不仅仅是楼板连接的链杆作用,还可以产生约束弯矩),但影响结构的层高。

   6、取消每层的楼层梁而把每层的楼层梁合并在某一层或几层就形成伸臂结构即框架+核心筒+伸臂结构(每层的楼层梁相当与在每层都设了伸臂)。但伸臂结构使某一层的梁太强了(大伸臂桁架或实腹梁)容易形成柱子的薄弱连接、或薄弱层,抗震设计非常不利,要慎重,一般高烈度区不采用。

   7、需要注意的是,设置外伸臂和外框筒的密柱都是为了增加外框架的轴力形成的抵抗倾覆力矩,合起来用效果不明显,所以外框筒结构时不做伸臂。


                                        2020年9月10日

参考文献:

1:高层建筑结构设计和计算(上下册),包世华、张桐生

2:抗震规范、高规

3:高校教材,混凝土结构 清华大学、东南大学等

4:高层建筑结构概念设计  高立人、方鄂华、钱稼茹

5:高层建筑结构设计  方鄂华、钱稼茹、叶列平

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 发表于2020-09-13   |  只看该作者      

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这节讲的是筒体结构的结构抗震

 发表于2020-09-14   |  只看该作者      

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