关于大幅度放宽结构层间位移角的再讨论(2017.6.29)

2、华南理工大学8片钢管混凝土剪力墙试验，高宽比（ 剪跨比） λ=2，混凝土强度等级C55~C100
混凝土开裂时位移角平均1/585，极限弹塑性位移角平 均1/44。 规范要求的位移角限值合理吗？能达到控制混凝土墙柱 不开裂的目的吗？
三、对规范位移角限值合理性的讨论
1、钢与混凝土的弹性模量相差约5~10倍，对钢筋混 凝土受弯或大偏压（拉）构件而言，混凝土开裂时钢 筋的应力还很小。即使是竖向荷载长期作用的受弯构 件，如一般的钢筋混凝土梁，正常使用状态下也是带 裂缝工作的，但这并不妨碍我们用弹性方法计算结构 的内力。
地震反应
对应的有害层间位移角
基底弯矩 GN-m
基底剪力 Ton
剪重比
刚重比
EJ/∑GH2
重量
总重 Ton 单位重量 KN/m2
混凝土用量 m3/m2
钢筋用量 kg/m2
1/28000
1/28147
1.22
1.20
1758
1775
4.7%
4.8%
9.02
8.13
36731
20.4
0.59
75.0
1/10387
► 6、从上述试验结果看，剪力墙出现裂缝时的层间位 移角在1/434~1/3134之间，可见按位移角不大于 1/1000为标准来控制显得过于粗略。或者过于保守 ，混凝土墙远未开裂；或者混凝土墙早已经开裂。
► 7、与剪力墙试验结果的比对，对于单片剪力墙是如此 ，但对众多剪力墙组成的抗侧力结构却完全不同。对于 结构中不同位置的剪力墙，在水平荷载作用下，相同层 间位移角，各剪力墙的受力却可能差异较大。结构中和 轴附近的剪力墙可能小偏心受压，没有裂缝；远离中和 轴的剪力墙可能大偏心受压，即截面中有受拉区，混凝 土可能开裂。以控制结构层间位移角的方法保证剪力墙 、柱混凝土不开裂实际上并没有根据。
► 2、上述剪力墙的试验中，试件的高宽比为1.5~2.1。 剪力墙的受力变形包括弯曲变形和剪切变形，俗称有害 位移。试验对应于高层、超高层建筑，大致为有害位移 占绝大部分 的底部楼层。而建筑物的最大层间位移角， 却发生在建筑物的中上部。
以深圳地王大厦为例：（魏琏等，地王大厦结构设计若 干问题，《建筑结构》，2000年6月）
► 1. 满足结构填充墙、内隔墙、幕墙等非结构构件对 主体结构的刚度需求，不因结构变形而引起损坏。
► 2. 满足风荷载作用下的舒适度验算要求。验算时， 混凝土结构的阻尼比不大于2%，混合结构的阻尼比 不大于1.5%，钢结构的阻尼比不大于1%。
► 3. 满足结构整体稳定性要求。 ► 4. 满足机电设备正常运行的要求。
► 钢筋混凝土柱和剪力墙正常使用阶段主要内力是竖向 荷载引起的压力。在风荷载和可能发生的地震作用下 ，只要钢筋不屈服，仍处于弹性阶段，即使混凝土开 裂，也不会影响结构的安全性。并且，在短时间作用 的横向力卸载后，可能出现的裂缝也会闭合，这比竖 向荷载长期存在的受弯钢筋混凝土梁更容易满足耐久 性要求。
原设计方案
改进方案
原设计方案
改进方案
小震计算结果对比
周期（s）
对比项目
T1 T2 T3 方向
最大层间位移角
原方案
2.23（Y平动）
2.12（X平动）
1.55（扭转）
X
Y
改进方案
3.03（Y平动）
2.84（X平动）
2.14（扭转）
X
Y
1/980(24层） 1/958（27层） 1/510（17层） 1/513（24层）
最大层间位移角1/1000，顶点 位移约H/1300；如果 大幅度放松至1/300，顶点位移约H/400,则基底剪力 约降低为原来的 400/1300=0.55 ，加之减少了剪力 墙、减少了结构自重，减少基底剪力将超过一半， 对8度及以上高烈度区意义更大。
► 5、按国标《抗规》规定，扣除结构整体弯曲的影响 ，所得最大有害层间位移角一般在结构底部楼层， 虽然可以比对试验结果，但不能控制建筑物中上部 楼层的水平位移。
► 2、结构构件的受力计算与层间位移角无关。可以 通过各种结构分析方法（弹性、弹塑性、几何非线 性、材料非线性、甚至考虑时间因素的粘弹塑性等 等）求解结构构件的内力。在此基础上进行构件截 面承载力的设计计算。
► 3、基于上述第一点的理由，层间位移角限值无需 区分结构类型，无论框架结构还是筒体结构，无论 剪力墙结构还是框架-剪力墙结构，也无论是混凝 土结构、钢结构还是混合结构。
►二、国内部分混凝土剪力墙受力试验的结果 1、 国内七所高校 西安建筑科技大学、大连 理工大学、清华大学、同济大学、山东建筑大 学、北京工业大学、沈阳建筑工程学院等
68 片剪力墙的试验结果
► (青岛理工大学 土木工程学院王晶等，“钢筋混凝土剪力墙 位移角统计分析”，《工程抗震与加固改造》2012.6)
► 行标《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010 3.7.3条规定：
► 行标《高层建筑混凝土结构技术规程》关于水平位 移限值的条文说明：……
►从我国结构抗震设计所依据的两本主要规范 规程的规定可看出： 控制最大层间位移角的主要目的在于保证主
结构基本处于弹性状态，对于钢筋混凝土结构 ，是否处于弹性状态由钢筋混凝土构件是否开 裂为判定标准。
► 4、重现期50、100年的风荷载和地震荷载属短期荷 载，需进行构件承载力极限状态验算，一般无需限 制墙、柱的混凝土是否开裂。有特别要求的，可由 构件截面设计加以解决。
► 5、考虑到设计上的方便，可采用《混凝土高规》的 做法，不扣除结构整体弯曲的影响，但大幅度放宽 层间位移角限值。重现期50年风荷载作用下只需控 制结构的顶点位移，一般1/500~1/400;小震作用下 层间位移角1/350~1/300。之所以不是钢结构的 1/250，是考虑对混凝土结构刚度的折减。
优化方案 X
1/114（15层） 1/3125 1/601 2.05 3494 11.8%
大震下性能点处连梁的损伤对比
原设计方案
图中： 红色表示严重损伤 棕色表示中度损伤 绿色表示轻度损伤 蓝色表示轻微损伤
改进方案
大震下到达性能点时有拉应力的墙肢
原设计方案
图中： 红色表示钢筋受拉屈服 棕色表示0.75倍屈服应变 绿色表示0.50倍屈服应变 蓝色表示墙体受拉
► 5. 结构单元间留设防震缝时，宽度应满足中震作用 下两侧结构不发生碰撞的要求。防震缝宽度可取不 小于中震作用下较低结构单元顶点水平位移与相应 标高较高结构单元水平位移绝对值之和，并不小于 规范要求。
► 相对《广东省高規》有一定进步，但与原本期望的 结果仍有差距。
►六、【工程实例1】
► 海口市滨江海岸某住宅 地面以上41层； 结构高度124.5m； 建筑平面长26m、宽21m； 底层层高4.5m，其他层层高3.0m； 剪力墙结构； 抗震设防烈度为8.5度；场地类别Ⅱ类，地震分组第
►四、小结与建议：大幅度放宽结构的层间位 移角限值
1、规定结构层间位移角限值是为了保证结构有必要 的刚度。这是因为：
a、避免非结构构件如玻璃幕墙、内隔墙等因结构过大 的变形而破坏。
b、避免结构过大的侧向变形加剧P- Δ效应，恶化结构 的受力。
c、避免在较大风作用下产生令人不舒服的低频振动。 d、避免结构过大的变形影响设备的正常运行。
3、上部楼层的侧向位移中有相当部分是由于下部楼 层的转角所引起的，此部分位移为刚体位移，而刚 体位移并不产生结构内力。
► 二、我国《抗规》、《高规》关于水平位移计算和 限值的规定
► 国标《建筑抗震设计规范》 5.5.1条规定：
《抗规》GB50011-2010给出层间位移角限的说明： （p356）
6、我国规范对大震作用下结构的弹塑性位移角的 限值也偏严格，如剪力墙，我国1/120、1/100； 美、日、欧1/50；最新的美国洛杉矶高规（2014 ）1/33；试验>1/50。建议可以参照美、日、欧的 限值大幅度放宽，抗震性能等级D级采用1/50，B 、C级适当严格。
五、广东省超限高层建筑工程抗震设防审查专家委 员会东莞会议纪要关于结构层间位移角限值的提法
► 一、我国规范对结构层间位移角限制偏严格的原因 1、我国规范认为小震作用属正常使用极限状态，结
构应保持“弹性”，故以钢筋混凝土构件（包括 柱、剪力墙）开裂时的层间位移角作为多遇地震 作用下结构的弹性位移角限值。
2、规范要求对计算周期乘以小于1的系数来加以修正 ，框架结构的周期折减系数为0.6-0.7，框-剪结构 为0.7-0.8，剪力墙结构为0.9-1。然而，结构分析 得到的位移却没有相应修正。
► 由单自由度体系的周期计算公式 可知，结构刚度K
与周期T的平方成反比例，因此，大致上框架结构
的位移计算值约偏大估计
11 0.62 ~ 0.72
，即约
2.04~2.77倍；框-剪结构约偏大
1 0.72
~
1 0.82
，即约
1.56-2.04倍；剪力墙结构约偏大 1
0.92
~
1 1.02
，即约
1.0~1.23倍。
► 近年来，我省高层、超高层建筑不断推出，由于现 行规范中结构层间位移角限值偏严格导致设计的不 合理，在沿海设计风压较大及地震烈度较高的部分 地区问题尤为突出。在满足下列条件的情况下，按 弹性方法计算的50年一遇风荷载作用下楼层的层间 位移角可按以下限值控制：
► 框架结构不宜大于1/400；高150米及以下的框架-剪 力墙、框架-核心筒结构不宜大于1/500，剪力墙结 构不宜大于1/600；高250米及以上结构不宜大于 1/400；高150米～250米之间可内插确定；钢结构不 宜大于1/250；小震作用下楼层的层间位移角可按上 述限值控制，但应进行中、大震抗震性能设计，大 震作用下弹塑性层间位移角限值按现行规范规定执 行。
关于大幅度放宽结构层间位移角 限值的再讨论
华南理工大学建筑设计研究院 方小丹 2017.6.29
► 结构的层间位移角是衡量结构刚度及变形能力的指 标。控制结构的层间位移角就是要控制结构有必要 的刚度及充分的变形能力。
► 较之日本、美国等国，我国规范对结构尤其是钢筋 混凝土结构在多遇地震作用下的层间位移角限制要 严格很多，框架结构为1/550，框-剪结构为1/800， 剪力墙结构1/1000；而日本、美国等国规范的层间 位移角限值为1/200。欧洲是1/400，但如果考虑了 P-Δ效应，也可以1/200。
二组，特征周期Tg=0.4。
► 原设计方案 按照海南省的要求，以不大于1/950控制位移角； 墙厚度从450变化至250 ； 受刚度要求控制，混凝土墙多，轴压比均在0.3以下。 ► 改进方案 按轴压比0.5控制剪力墙数量，一般轴压比为0.4~0.45； 墙厚度从350变化至200 ； 层间位移角约为1/500。
► 3、按《高规》的规定，不扣除结构整体弯曲变形影 响，实际上控制的是结构中、上部楼层的位移角， 而此部位楼层的受力往往很小，大多数情况下，剪 力墙、柱非受力所需的计算配筋而是构造配筋。同 时，也不能由此推知底部受力变形最大的楼层的受 力情况，不能推知剪力墙、柱是否开裂。
► 4、结构中上部楼层的位移角限值过于严格，造成建 筑物的刚度需求过大，其直接后果就是结构的自重 增大、地震反应增大，除造成投资的浪费外，反而 对结构抗震不利。
1/11130
0.92
0.90
1242
1268
4.2%
4.3%
4.85
4.21
29574
16.4
0.42
59.5
大震静力弹塑性计算结果对比
对比项目
Biblioteka Baidu
方向
最大层间位移角
大震弹塑 性分析
对应有害层间位移角 底层层间位移角 基底弯矩 GN-m
基底剪力 Ton
剪重比
原方案 X
1/165（13层） 1/5555 1/845 3.06 4670 12.7%
深圳地王大厦，69层， 地面以上高324.8米，Y向 剪力墙宽12米
► 退一步说，设计不允许剪力墙混凝土开裂，则Y向剪 力墙宽12米，对应试验结果，应该控制建筑物底部 5~6层的层间位移角，而不是控制结构中上部的最大 层间位移角。地王大厦的最大层间位移角发生在57 层，1/274。其中绝大部分为该层底部转角引起刚体 位移。扣除刚体位移，其有害位移角为1/28195，受 力很小，不可能出现裂缝。
改进方案
大震下到达性能点时墙肢受压轻度损伤
原设计方案
图中： 红色表示轻度损伤 棕色表示轻微损伤 绿色表示0.75倍轻微损伤 蓝色表示0.50倍轻微损伤
改进方案