第36卷第6期建 筑 结 构2006年6月
高层建筑地下室结构的抗震设计
胡庆昌 钱稼茹 孙金墀
1
2
1
(1北京市建筑设计研究院 北京100045;2清华大学土木系 北京100084)
[提要] 针对高层建筑的嵌固设计问题,重点讨论高层建筑的嵌固条件和嵌固在地下室顶板时结构的抗震设
计。给出了地下室结构水平地震作用基于底部剪力法的计算公式、地下室结构构件和框架的计算公式,以及抗震墙的设计原则。提出了高层建筑嵌固在基础顶部的抗震设计的基本要求。
[关键词] 高层建筑 嵌固部位 地下室结构 抗震设计
SeismicDesignofBasementStructureofTallBuildingsΠHuQingchang1,QianJiaru2,SunJinchi1(1BeijingInstituteofArchitecturalDesign,Beijing100045,China;2KeyLaboratoryforStructuralEngineeringandVibrationtheMinistryofEducation,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)
Abstract:Necessaryrequirementstoascertainthepositionoffixityoftallandstructuresarediscussed.Thecalcutationformulaearedevelopedforherizontalofbaseshearmethodonthemembersandstructureofbasement.
Keywords:tallbuildingpositionoffixity;basement;1 高层建筑的嵌固部位
《建筑
(—2001)[1]规定,高层建筑地
下室结构满足一定条件时,地下室顶板可作为上部结构的嵌固部位。若不满足规范要求,可将嵌固部位设置在基础顶面。嵌固在地下室顶板的条件及要求:
(1)地下室层数不少于2层,全部地下室宜有与地
下室顶板相连的封闭外墙。
(2)地下一层结构侧向刚度应不小于地上一层结构侧向刚度的2倍。结构的层侧向刚度可近似按等效剪切刚度计算,即:
GAh≥2
G1A1h0
(1a)(1b)
图1 地下室结构范围
[A0,A1]=Aw+0.12Ac
式中:G0,G1分别为地下一层及地上一层的混凝土剪切模量;A0,A1分别为地下一层及地上一层竖向结构构件的总折算受剪面积;Aw为沿计算方向地上一层或地下室范围地下一层的抗震墙全部有效截面面积;Ac为地下一层或地上一层的全部柱截面面积;h0,h1分别为地下一层及地上一层的层高。
(3)地下室结构范围可按图1采用。单塔结构无相连裙房时,地下室范围可包括距主体结构较近的地下室外墙;单塔结构和多塔结构有相连裙房时,主体结构和裙房应分别符合式(1)的要求,地下室范围也可包括距主体结构较近的地下室外墙
。(4)地下室结构布置应保证地下室顶板及地下室
各层楼板有足够的平面内整体刚度和承载能力,能将上部结构的地震作用传递到全部地下室结构范围的抗侧力构件。地下室顶板厚度不宜小于180mm,混凝土强度等级不应低于C30,应采用双层双向配筋,每层每个方向配筋率不宜小于0125%。地下室顶板不宜采用无梁楼盖。
(5)裙房与主体结构相连时,其嵌固部位应随同
主体结构,且应满足嵌固的有关要求;裙房与主体可采用不同基础结构,但应加强连接,保证在地震作用下共
同工作。
2 嵌固在地下室顶板时的抗震设计要求211地下室结构水平地震作用计算
可采用底部剪力法计算地下室结构水平地震作用。作用在无裙房主体结构或有裙房主体结构(两者之间不分缝)地下室底部的总水平地震作用标准值
FBk可按下式计算:
FBk=FEk+FB
214抗震等级
(2a)(2b)
FB (i=1,2,…,n)
j
αFB=β1GB,eq
FB,i=
GiHi
nj=1
(2c)
∑GB,HB,
j
式中:FEk为上部结构在地下室顶部的总水平地震作用标准值;FB为地下室结构引起的总水平地震作用标准值;β为地下室结构水平地震作用降低系数,可按表1
[2]
);α取值(参考日本1981年“建筑基准法”1为上部结构基本自振周期的水平地震影响系数;GB,eq为地下室结构等效总重力荷载,表值的85%;FB,i为层i值(),i,j集中于地下室层j;HB,i,HB,j分别为地下室层i;n为地下室总层数。
β取值
n
地下一层应与上部结构的抗震等级相同,以下可
逐层降低一级;对于丙类建筑,7度时不宜低于四级,8度时不宜低于三级,9度时不宜低于二级;对于乙类建筑,6度时不宜低于四级,7度时不宜低于三级,8度时不宜低于二级,9度时应专门研究。
除9度外,上部结构以外范围较大的地下室结构可采用三～四级。215框架柱设计
(1)地上一层框架柱下端应按相应抗震等级考虑柱底部弯矩增大系数,地上一层柱的纵向配筋应按柱下端的内力设计值配置,避免塑性铰由柱端向上转移。
(2)地下室顶板处的梁、地下一层柱及外墙的弯起的作用,即内柱:
∑M(4a)(4b)
():
上
yb≥Myc-Mc(包括角柱):
MTb=
0.8hw
上
(4c)
式中:M上yc为地上一层柱底截面按实配钢筋及轴力设计值的抗震正截面承载力;
M下yc为地下一层柱截面按实配钢筋及轴力设计值的抗震正截面承载力;
表1
30185
40180
∑Myb
2019
β
为地下室顶板处,梁柱节点两侧梁端反时针或顺时针方向的实配抗震受弯承载力之和;Mc为地下室外墙壁
裙房与主体结构之间设缝分开时,主体结构与裙房地下室的水平地震作用应分别计算。
上部结构以外范围较大的地下室结构,如多层车库的框架,可按其受荷范围计算地下室结构引起的总水平地震作用标准值,地震影响系数可取αmax,并按地下室层数考虑水平地震作用降低系数β。
212地下室结构构件的内力设计值
地下室结构层j的地震剪力标准值VB,j可按下式计算:
j
VB,j=FEk+
i=1
∑FB,
i
(3)
应采用地下室结构的地震剪力标准值计算水平地震作用产生的地下室结构构件的内力标准值;地下室结构的竖向构件的内力标准值应包括上部结构重力荷载代表值产生的效应。213混凝土强度等级
地下室结构构件的混凝土强度等级不低于上部结构相应构件的混凝土强度等级。
图2 嵌固在基础顶部时抗震墙底部加强部位的高度
(下转第27页)
得框支层落地墙比较厚,框支层实际刚度要大于上部结构。由此可以看出,用剪切刚度比控制楼层刚度有一定局限性,可能不能反映楼层的真实刚度,使框支层设计偏于保守。6 结语
工程为在高烈度地震
区设计的超限高层建筑,经图7 ElCentro波作用下
最大楼层位移
过弹性、弹塑性计算分析,
并采取可靠的技术措施满足抗震设防要求,取得了较好的效果,目前结构已施工完成。通过工程的设计实践和分析研究,得到以下几点结论。
(1)超高的底层大空间抗震墙结构(框支剪力墙),必须保证框支层的抗震性能,工程按剪切刚度比控制,转换层上、下结构剪切刚度比接近1。弹塑性分析结果显示,转换层以下各层刚度较大,罕遇地震条件下结构仍基本处于弹性状态。
(2)按剪切刚度比控制,,,,小于两到三层(3),如
适当提高分布筋配筋率,角部增设型钢等措施。
(4)框支柱应采取措施提高柱的延性、变形能力。有条件应设计成型钢混凝土柱。
(5)为降低转换层位置的高度,可采用箱形结构转换层的方法。当为满足建筑功能要求,需在转换梁上开较多、较大的洞时,转换梁可采用型钢混凝土结构,并采用有限元程序进行计算分析。
(6)抗震规范中对框支抗震墙结构的框支层数有一定限制,通过本工程的实践看,只要将框支层的承载力、刚度加强,使其在罕遇地震条件下仍处于弹性状态,则框支层层数可以适当增加。
参
考
文
献
[1]建筑抗震设计规范(GBJ11—89)[S].:中国建筑工业出版
社,1989.
[2](JGJ3—91)[S].北
G)[S].北京:中国建筑工业
](JGJ3—2002J186—2002)[S].北
京:中国建筑工业出版社,2002.
[5]胡庆昌.建筑结构抗震设计与研究[M].中国建筑工业出版社,
1999.
[6]龚思礼.建筑抗震设计手册(第二板)[M].中国建筑工业出版
社,2002.
(上接第17页)
柱或暗柱的平面外受弯承载力,暗柱沿外墙长度可取柱宽加2倍墙厚;Tb为地下室外墙顶部暗圈梁的拉力;hw为地下室外墙高度。
(3)地下室顶板梁柱节点应按
件的纵向钢筋配筋率不应小于地下一层对应的抗震墙。
3 嵌固在基础顶部的抗震设计要求
(1)不能满足嵌固在地下室顶板的要求时,可按
∑
Myb验算核芯区
受剪承载力。
(4)与地上一层框架柱相连的地下室各层柱的截
面尺寸不应小于地上一层对应的柱截面,与地上一层框架柱相连的地下室各层柱的每侧纵筋面积不宜少于地上一层对应柱底部每侧纵筋面积的111倍。216抗震墙设计
(1)抗震墙底部加强部位的高度应从地下室顶板
嵌固在基础顶部设计。B级高度高层建筑不宜嵌固在基础顶部。
(2)不考虑地下室结构水平地震作用降低系数。(3)地下室结构抗震等级宜按地上结构抗震等级取。地下室内的墙柱截面尺寸、混凝土强度等级及配筋构造不宜低于上部结构相应构件的要求[3]。
(4)抗震墙底部加强部位的高度应从基础顶部算起,对框架-抗震墙结构、抗震墙结构和筒体结构尚宜高出地下室顶板不少于2层,对部分框支抗震墙结构尚宜高出框支层不少于2层(图2)。主体结构周边有相连裙房且裙房为抗震墙结构时,宜高出裙房一层。
参
考
文
献
算起,部分框支抗震墙结构位于地下室内的框支层不计入规范允许框支层数之内。
(2)与地上一层相连的地下室各层抗震墙的截面尺寸和边缘构件的纵向钢筋配筋率不应小于地上一层对应的抗震墙;若地下一层抗震墙的截面尺寸和边缘构件的纵向钢筋配筋率大于地上一层对应的抗震墙时,地下二层及以下各层抗震墙的截面尺寸和边缘构
[1]建筑抗震设计规范(GB50011—2001)[S].[2]日本1981年“建筑基准法”.[3]UBC[1**********]110条.
第36卷第6期建 筑 结 构2006年6月
高层建筑地下室结构的抗震设计
胡庆昌 钱稼茹 孙金墀
1
2
1
(1北京市建筑设计研究院 北京100045;2清华大学土木系 北京100084)
[提要] 针对高层建筑的嵌固设计问题,重点讨论高层建筑的嵌固条件和嵌固在地下室顶板时结构的抗震设
计。给出了地下室结构水平地震作用基于底部剪力法的计算公式、地下室结构构件和框架的计算公式,以及抗震墙的设计原则。提出了高层建筑嵌固在基础顶部的抗震设计的基本要求。
[关键词] 高层建筑 嵌固部位 地下室结构 抗震设计
SeismicDesignofBasementStructureofTallBuildingsΠHuQingchang1,QianJiaru2,SunJinchi1(1BeijingInstituteofArchitecturalDesign,Beijing100045,China;2KeyLaboratoryforStructuralEngineeringandVibrationtheMinistryofEducation,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)
Abstract:Necessaryrequirementstoascertainthepositionoffixityoftallandstructuresarediscussed.Thecalcutationformulaearedevelopedforherizontalofbaseshearmethodonthemembersandstructureofbasement.
Keywords:tallbuildingpositionoffixity;basement;1 高层建筑的嵌固部位
《建筑
(—2001)[1]规定,高层建筑地
下室结构满足一定条件时,地下室顶板可作为上部结构的嵌固部位。若不满足规范要求,可将嵌固部位设置在基础顶面。嵌固在地下室顶板的条件及要求:
(1)地下室层数不少于2层,全部地下室宜有与地
下室顶板相连的封闭外墙。
(2)地下一层结构侧向刚度应不小于地上一层结构侧向刚度的2倍。结构的层侧向刚度可近似按等效剪切刚度计算,即:
GAh≥2
G1A1h0
(1a)(1b)
图1 地下室结构范围
[A0,A1]=Aw+0.12Ac
式中:G0,G1分别为地下一层及地上一层的混凝土剪切模量;A0,A1分别为地下一层及地上一层竖向结构构件的总折算受剪面积;Aw为沿计算方向地上一层或地下室范围地下一层的抗震墙全部有效截面面积;Ac为地下一层或地上一层的全部柱截面面积;h0,h1分别为地下一层及地上一层的层高。
(3)地下室结构范围可按图1采用。单塔结构无相连裙房时,地下室范围可包括距主体结构较近的地下室外墙;单塔结构和多塔结构有相连裙房时,主体结构和裙房应分别符合式(1)的要求,地下室范围也可包括距主体结构较近的地下室外墙
。(4)地下室结构布置应保证地下室顶板及地下室
各层楼板有足够的平面内整体刚度和承载能力,能将上部结构的地震作用传递到全部地下室结构范围的抗侧力构件。地下室顶板厚度不宜小于180mm,混凝土强度等级不应低于C30,应采用双层双向配筋,每层每个方向配筋率不宜小于0125%。地下室顶板不宜采用无梁楼盖。
(5)裙房与主体结构相连时,其嵌固部位应随同
主体结构,且应满足嵌固的有关要求;裙房与主体可采用不同基础结构,但应加强连接,保证在地震作用下共
同工作。
2 嵌固在地下室顶板时的抗震设计要求211地下室结构水平地震作用计算
可采用底部剪力法计算地下室结构水平地震作用。作用在无裙房主体结构或有裙房主体结构(两者之间不分缝)地下室底部的总水平地震作用标准值
FBk可按下式计算:
FBk=FEk+FB
214抗震等级
(2a)(2b)
FB (i=1,2,…,n)
j
αFB=β1GB,eq
FB,i=
GiHi
nj=1
(2c)
∑GB,HB,
j
式中:FEk为上部结构在地下室顶部的总水平地震作用标准值;FB为地下室结构引起的总水平地震作用标准值;β为地下室结构水平地震作用降低系数,可按表1
[2]
);α取值(参考日本1981年“建筑基准法”1为上部结构基本自振周期的水平地震影响系数;GB,eq为地下室结构等效总重力荷载,表值的85%;FB,i为层i值(),i,j集中于地下室层j;HB,i,HB,j分别为地下室层i;n为地下室总层数。
β取值
n
地下一层应与上部结构的抗震等级相同,以下可
逐层降低一级;对于丙类建筑,7度时不宜低于四级,8度时不宜低于三级,9度时不宜低于二级;对于乙类建筑,6度时不宜低于四级,7度时不宜低于三级,8度时不宜低于二级,9度时应专门研究。
除9度外,上部结构以外范围较大的地下室结构可采用三～四级。215框架柱设计
(1)地上一层框架柱下端应按相应抗震等级考虑柱底部弯矩增大系数,地上一层柱的纵向配筋应按柱下端的内力设计值配置,避免塑性铰由柱端向上转移。
(2)地下室顶板处的梁、地下一层柱及外墙的弯起的作用,即内柱:
∑M(4a)(4b)
():
上
yb≥Myc-Mc(包括角柱):
MTb=
0.8hw
上
(4c)
式中:M上yc为地上一层柱底截面按实配钢筋及轴力设计值的抗震正截面承载力;
M下yc为地下一层柱截面按实配钢筋及轴力设计值的抗震正截面承载力;
表1
30185
40180
∑Myb
2019
β
为地下室顶板处,梁柱节点两侧梁端反时针或顺时针方向的实配抗震受弯承载力之和;Mc为地下室外墙壁
裙房与主体结构之间设缝分开时,主体结构与裙房地下室的水平地震作用应分别计算。
上部结构以外范围较大的地下室结构,如多层车库的框架,可按其受荷范围计算地下室结构引起的总水平地震作用标准值,地震影响系数可取αmax,并按地下室层数考虑水平地震作用降低系数β。
212地下室结构构件的内力设计值
地下室结构层j的地震剪力标准值VB,j可按下式计算:
j
VB,j=FEk+
i=1
∑FB,
i
(3)
应采用地下室结构的地震剪力标准值计算水平地震作用产生的地下室结构构件的内力标准值;地下室结构的竖向构件的内力标准值应包括上部结构重力荷载代表值产生的效应。213混凝土强度等级
地下室结构构件的混凝土强度等级不低于上部结构相应构件的混凝土强度等级。
图2 嵌固在基础顶部时抗震墙底部加强部位的高度
(下转第27页)
得框支层落地墙比较厚,框支层实际刚度要大于上部结构。由此可以看出,用剪切刚度比控制楼层刚度有一定局限性,可能不能反映楼层的真实刚度,使框支层设计偏于保守。6 结语
工程为在高烈度地震
区设计的超限高层建筑,经图7 ElCentro波作用下
最大楼层位移
过弹性、弹塑性计算分析,
并采取可靠的技术措施满足抗震设防要求,取得了较好的效果,目前结构已施工完成。通过工程的设计实践和分析研究,得到以下几点结论。
(1)超高的底层大空间抗震墙结构(框支剪力墙),必须保证框支层的抗震性能,工程按剪切刚度比控制,转换层上、下结构剪切刚度比接近1。弹塑性分析结果显示,转换层以下各层刚度较大,罕遇地震条件下结构仍基本处于弹性状态。
(2)按剪切刚度比控制,,,,小于两到三层(3),如
适当提高分布筋配筋率,角部增设型钢等措施。
(4)框支柱应采取措施提高柱的延性、变形能力。有条件应设计成型钢混凝土柱。
(5)为降低转换层位置的高度,可采用箱形结构转换层的方法。当为满足建筑功能要求,需在转换梁上开较多、较大的洞时,转换梁可采用型钢混凝土结构,并采用有限元程序进行计算分析。
(6)抗震规范中对框支抗震墙结构的框支层数有一定限制,通过本工程的实践看,只要将框支层的承载力、刚度加强,使其在罕遇地震条件下仍处于弹性状态,则框支层层数可以适当增加。
参
考
文
献
[1]建筑抗震设计规范(GBJ11—89)[S].:中国建筑工业出版
社,1989.
[2](JGJ3—91)[S].北
G)[S].北京:中国建筑工业
](JGJ3—2002J186—2002)[S].北
京:中国建筑工业出版社,2002.
[5]胡庆昌.建筑结构抗震设计与研究[M].中国建筑工业出版社,
1999.
[6]龚思礼.建筑抗震设计手册(第二板)[M].中国建筑工业出版
社,2002.
(上接第17页)
柱或暗柱的平面外受弯承载力,暗柱沿外墙长度可取柱宽加2倍墙厚;Tb为地下室外墙顶部暗圈梁的拉力;hw为地下室外墙高度。
(3)地下室顶板梁柱节点应按
件的纵向钢筋配筋率不应小于地下一层对应的抗震墙。
3 嵌固在基础顶部的抗震设计要求
(1)不能满足嵌固在地下室顶板的要求时,可按
∑
Myb验算核芯区
受剪承载力。
(4)与地上一层框架柱相连的地下室各层柱的截
面尺寸不应小于地上一层对应的柱截面,与地上一层框架柱相连的地下室各层柱的每侧纵筋面积不宜少于地上一层对应柱底部每侧纵筋面积的111倍。216抗震墙设计
(1)抗震墙底部加强部位的高度应从地下室顶板
嵌固在基础顶部设计。B级高度高层建筑不宜嵌固在基础顶部。
(2)不考虑地下室结构水平地震作用降低系数。(3)地下室结构抗震等级宜按地上结构抗震等级取。地下室内的墙柱截面尺寸、混凝土强度等级及配筋构造不宜低于上部结构相应构件的要求[3]。
(4)抗震墙底部加强部位的高度应从基础顶部算起,对框架-抗震墙结构、抗震墙结构和筒体结构尚宜高出地下室顶板不少于2层,对部分框支抗震墙结构尚宜高出框支层不少于2层(图2)。主体结构周边有相连裙房且裙房为抗震墙结构时,宜高出裙房一层。
参
考
文
献
算起,部分框支抗震墙结构位于地下室内的框支层不计入规范允许框支层数之内。
(2)与地上一层相连的地下室各层抗震墙的截面尺寸和边缘构件的纵向钢筋配筋率不应小于地上一层对应的抗震墙;若地下一层抗震墙的截面尺寸和边缘构件的纵向钢筋配筋率大于地上一层对应的抗震墙时,地下二层及以下各层抗震墙的截面尺寸和边缘构
[1]建筑抗震设计规范(GB50011—2001)[S].[2]日本1981年“建筑基准法”.[3]UBC[1**********]110条.