第36卷 第7期建 筑 结 构2006年7月 对建筑结构抗震变形验算中层间位移角取值的认识 王耀伟 黄宗明 (重庆大学土木工程学院 400045) 提要 结构的抗震变形验算是基于性能的结构抗震设计的一项重要内容,当前各国抗震设计规范多采用层 间位移角作为结构变形的控制指标。对层间位移角限值的确定进行了简要论述,并对其中设计水准与变形验 算的关系、 非弹性反应分析的不完善性和不规则结构的变形验算标准等问题进行了一定的讨论。 关键词 层间位移角 抗震 性能设计 Understanding of Storey2drift2angle During Seismic Displacement CheckingWang Yaowei ,Huang Z ongming(Faculty of Civil Engineering ,Chongqing University ,Chongqing 400045 ,China) Abstract:The seismic displacement checking of the structures is one of the important terms of the performance2based design. The storey2drift2angle is used to control the displacement during the earthquake in many countrys codes. The establishment of the allowed storey2drift2angles is reviewed simply ,and some problems are discussed. Keywords:storey2drift2angle ;seismic ;performance2based design 0 引言 当前,基于性能的建筑抗震设计已成为世界各国 建筑抗震设计规范修订的主导动向,如美国的SEAOC Vision2000和日本的新建筑结构设计系统发展计划等。 我国的建筑抗震设计规范G B500112001也明确规定 了与抗震设防水准相关的变形验算。由于建筑结构在 设计地面运动下的变形值可以较好地体现建筑结构的 行为水平,因此,基于性能的抗震设计最终可以归结为 控制结构变形的设计。为了实现结构抗震变形验算的 目标,首先要求能够合理计算结构在给定地震作用下 的变形反应;其次需确定实现结构预定建筑功能的结 构变形允许值。 1 结构变形验算的评判标准 在实际结构中,层间总体变形是由两部分组成的, 一部分是由本楼层内抗侧力构件的剪切和弯曲变形等 产生的;另一部分是由底部各楼层的刚体转动产生的 楼层侧向变形,由于这部分变形对本楼层内的抗侧力 构件并不产生内力,因此在有些文献中称这部分变形 为无害变形1。对于以剪切变形为主的结构而言,层 间位移角基本能反映楼层中的受力状态,以层间位移 角作为结构变形的评判标准是比较合理的。文2对 两幢60层的剪力墙结构和框架2剪力墙结构的计算分 析表明,对结构破坏有影响的最大层间位移主要出现 在结构底层处,而在结构上部楼层的弹性层间位移中, 无害位移的成分不到110 %。由此可见,若不考虑结构 楼层变形与受力的相关性,将无法正确地判断楼层变 形值的大小和出现最大变形的楼层位置。因此,在建 筑抗震设计规范的条文说明中规定,在小震作用下的 层间弹性变形验算时,对高度超过150m或高宽比大于 6的高层建筑,可以扣除结构整体弯曲变形产生的无 害位移的影响;如未扣除时,位移角限值可有所放宽。 但目前还没有简单可行的方法从高层结构层间变形中 扣除无害位移。 因此,当采用层间位移角作为结构变形验算的控 制指标时,有必要区分不同的结构类型,对于以剪切变 形为主的常规框架结构,层间总体位移与层间受力之 间具有较好的相关性,可以用来对结构的宏观变形能 力进行评估。对于剪力墙结构,与楼层受力相关的层 间最大变形往往出现在结构的底部楼层,但由于结构 弯曲变形的影响,层间最大变形(包括无害位移)将出 现在顶部楼层。此时,如果不扣除无害位移的影响而 采用顶部楼层的位移角进行变形验算,即便是位移角 限值有所放宽,其做法显然也是不合适的,这样做往往 会使人产生结构实际最大层间位移角出现在顶层的错 误判断。所以,在进行结构抗震变形验算时,合理计算 结构在给定地面运动下的位移反应,或者合理选择能 够代表结构真实变形特征的评判参数是非常重要的, 在采用结构层间位移角作为变形验算指标时仍须慎重 考虑结构类型的影响,不可盲目地作判断。 2 弹性层间位移角限值的确定 在抗震设计规范G B500112001中,规定弹性层 间变形验算的主要控制目标是确保结构在遭受较常遇 到的、 低于本地区规定的基本烈度的地震作用时,建筑 不损坏。具体来讲,就是在小震作用下,结构层间变形 12 1995-2007 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 不会引起剪力墙、 柱等主要结构抗侧力构件的开裂,并 将非结构构件的损坏程度控制在一定的范围内。试验 结果与计算结果的分析表明,弹性层间位移角限值需 根据不同结构类型来确定。 对于框架结构,由于填充墙的存在增大了结构整 体抗侧刚度,从而使结构弹性侧移值降低,在相对较小 的层间变形下,由于填充墙灰缝的抗裂强度相对较低, 其将会先于框架柱开裂。因此,框架结构的弹性层间 位移角限值的确定是以控制填充墙不出现严重开裂为 主要依据。根据国内的研究结果,在区分有无填充墙 和填充墙开洞与否的情况下,框架结构中填充墙的初 裂或框架柱开裂的平均位移角大致分布在1/ 2 500 1/ 400的范围内。其中,上限值主要是针对开洞填充墙 框架柱的开裂位移角,下限值是无开洞填充墙墙面初裂 的平均位移角。弹性有限元分析的结果则表明,框架结 构的开裂层间位移角位于1/ 2 0001/ 800之间。在上 述试验结果与计算结果的基础上,规范中采用1/ 550作 为钢筋混凝土框架结构的弹性层间位移角限值。其中, 之所以没有采用更为严格的位移角限值,是既考虑到实 际工程的可行性,又考虑到在框架结构的侧移计算时由 于不考虑填充墙刚度的影响,计算值比实际值偏大。 对于以剪力墙为主要抗侧力构件的结构体系,在 小震下的层间位移角限值的取值是以控制剪力墙的开 裂程度为主要依据。试验和计算结果均表明,框架2剪 力墙结构中的剪力墙的开裂位移角:试验结果为 1/ 3 3001/ 1 100 ,有 限 元 分 析 结 果 为1/ 4 000 1/ 2 500。另外,对我国百余幢有抗震墙的结构体系的 分析表明,结构最大弹性层间位移角均小于1/ 800。与 框架结构相比,在框架2剪力墙结构和剪力墙结构中, 剪力墙在很小的位移角情况下就会有开裂现象。因 此,综合考虑建筑的功能要求、 经济性以及规范的可执 行性等方面的影响,并考虑不同有抗震墙结构体系的 相对刚度情况,规范中给出钢筋混凝土框架2抗震墙、 板柱2抗震墙、 框架2核心筒结构的弹性层间位移角限 值为1/ 800 ,而对于结构整体刚度相对较大的抗震墙结 构和筒中筒结构取11 000。 由此看来,钢筋混凝土结构的弹性层间位移角限 值是在考虑了多种影响因素的基础上提出来的,这些 因素包括:不同结构体系类型、 建筑的功能要求、 经济 性要求以及规范的可执行性和延续性等。因此,我国 建筑抗震设计规范中给出的弹性层间位移角限值是一 项综合评定指标,并不是单独针对结构的计算分析结 果而言的。值得指出的是,不少国内的设计者认为,与 国外变形限值相比,有必要对中国规范中的弹性层间 位移角限值进一步放宽。产生这种观点的原因主要是 没有区分各国规范所规定的设计地震水平和变形验算 的目的造成的4。与国外抗震设计规范相比,如 UBC94 ,EC8和日本建筑标准法规(1981)等,中国建筑 抗震设计规范中采用的小震设计水准明显偏低,由此 计算的层间位移角也必然较小;另外,在许多国外抗震 设计规范中规定的第一水准设防是为了防止非结构构 件的严重破坏、 确保生命安全,这与中国规范规定的小 震变形验算的目标是有区别的。再者,结构的试验和 计算分析结果都已表明,满足小震变形要求的层间位 移角远比规范中给出的限值要求小。因此,没有必要再 对规范中的弹性层间位移角限值作进一步放宽处理。 3 弹塑性层间位移角限值的确定 钢筋混凝土结构在遭受高于本地区基本设防烈度 的强烈地震作用下,主要依靠结构本身的弹塑性变形 来吸收和耗散地震输入的能量。如果结构的变形能力 无法抵御地震动输入能量对结构变形的要求,结构将 可能会发生倒塌。因此,在罕遇地震作用下,结构变形 验算的主要目标是保证其不发生严重破坏或倒塌。当 前结构的弹塑性变形验算一般是简化为层间弹塑性变 形的验算,在多数规范中给出的变形允许值都是层间 弹塑性位移角限值。 对于多数常规钢筋混凝土框架结构而言,如果结 构的高宽比不大(一般不超过2) ,结构整体变形为剪 切型时,各楼层的层间位移可以看作是独立的,此时层 间位移角是楼层中梁、 柱、 节点弹塑性变形的综合结 果。因此,采用楼层间的总体位移角来描述框架结构 的层间变形特性是可取的。国内外的相关试验研究结 果表明,框架结构楼层极限位移角一般分布在1/ 38 1/ 8的范围内。但考虑到目前对钢筋混凝土结构的弹 塑性变形计算还很不成熟,计算分析的结果一般比实 际弹塑性位移反应偏小,因此,规范中规定框架结构和 板柱2框架结构的位移角限值为1/ 50 ,与试验结果相 比,这一限值是具有一定安全储备的。另外,考虑到影 响实际结构的层间位移角的因素很多,如梁柱相对强 弱关系、 配箍率、 轴压比、 剪跨比、 混凝土强度等级以及 配筋率等,当采用了较好的提高变形能力的措施后,框 架结构的位移角限值允许比原来有所提高(见规范 G B500112001中51515条的规定)。 对于以钢筋混凝土剪力墙为主要抗侧力构件的结 构体系而言,由于在该体系中存在多道抗震防线,在罕 遇地震作用下,结构体系中的各构件间存在较大的内 力重分布过程,部分构件达到其极限变形能力后并不 意味着整体结构一定会发生倒塌。因此,对于这种结 构体系而言,层间变形的验算主要是针对变形能力相 对较差的抗侧力构件而言,这与常规框架结构的层间 22 1995-2007 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 位移角限值的规定是有区别的。试验研究表明,在以 剪力墙为主要抗侧力构件的结构体系中,由于剪力墙 的刚度相对较大、 变形能力相对较差,剪力墙一般会最 早进入弹塑性状态,而且最终破坏也相对集中在剪力 墙单元上。因此,这类结构体系的层间弹塑性位移角 限值主要是依据剪力墙单元的变形能力来确定。近期 的试验研究表明,抗震墙的极限位移角基本上分布在 1/ 1921112的范围内。因此,规范中取抗震墙结构 和筒中筒结构的极限层间位移角为1/ 120。对于框架2 抗震墙结构、 框架2筒中筒结构等,考虑到该结构具有 多道抗震设防体系和内力重分布的有利影响,其变形 能力比纯抗震墙结构会有一定的提高,规范中规定此 类结构的层间弹塑性位移角限值为1/ 100。 值得指出的是,在罕遇地震作用下,为了防止结构 楼层局部抗侧力构件的破坏以及由此对结构整体反应 造成的不利影响,尚应对以弯曲变形为主的抗侧力构 件的端部塑性铰转动能力做出相应的限制规定。文 3指出了影响框架结构的梁、 柱构件端部塑性转动能 力的各项影响因素,并针对不同抗震性能水准提出了 相应的构件塑性转角建议限值。但考虑到塑性转角的 计算方法及限值标准尚不成熟,目前这部分内容还没 有反映在相关规范中。 4 相关问题的讨论 411结构抗震设计水准与变形验算的关系 在各国建筑抗震设计规范中,多采用层间位移