1、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1 钱稼茹2 孙金墀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Seismic Design of Basement Structure of Tall
2、BuildingsPHu Qingchang1 , Qian Jiaru2 , Sun Jinchi1 (1 Beijing Institute of Architectural Design , Beijing 100045 ,China ; 2 Key Laboratory for Structural Engineering and Vibration of the Ministry of Education , Tsinghua University , Beijing 100084 ,China)Abstract :Necessary requirements to ascertai
3、n the position of fixity of tall buildings and seismic design of basement structures are discussed. The calcutation formulae are developed for herizontal seismic action of basement structure with base shear method on the members and structure of basement . Keywords :tall building position of fixity
4、; basement structure ; seismic design1 高层建筑的嵌固部位多数单塔或多塔高层建筑带有面积较大的地下室及层数不多的裙房 ,裙房可能相连形成大底盘。建筑() 1 规定 , 高层建筑地抗震设计规范GB50011 2001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:G0 A0h12
5、(1a)G1 A1h0 A0 , A1 =Aw + 0 . 12 Ac()1b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
6、较近的地下室外墙。图 1地下室结构范围(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16构基本自振周期的水平地震影响系数; GB ,eq同工作。2 嵌固在地下室顶板时的抗震设计要
7、求211 地下室 构水平地震作用 算可采用底部剪力法 算地下室 构水平地震作用。作用在无裙房主体 构或有裙房主体 构( 两者之 不分 ) 地下室底部的 水平地震作用 准 FBk 可按下式 算:FBk = FEk + FB(2a)FB = 1 GB ,eq(2b)GB , i HB , i()()FB , i = nFB2ci = 1 ,2 , , nGB , j HB , jj = 1式中: FEk 上部 构在地下室 部的 水平地震作用 准 ; FB 地下室 构引起的 水平地震作用 准值; 地下室 构水平地震作用降低系数 ,可按表 1 取 ( 参考日本1981 年“建筑基准法”2 ) ;1 上
8、部 地下室 构等效 重力荷 ,可取地下室 构 重力荷 代表 的85 % ; FB , i 为层 i 地下室的水平地震作用 准值( 地下室 构的 号由上向下 ) ; GB , i , GB , j 分 集中于地下室 i , j 的重力荷 代表 ; HB , i , HB , j 分 地下室 i , j 至基 的 算高度; n 地下室 数。取值表 1n23401901850180裙房与主体 构之 分开 ,主体 构与裙房地下室的水平地震作用 分 算。上部 构以外范 大的地下室 构 ,如多 的框架 ,可按其受荷范 算地下室 构引起的 水平地震作用 准 ,地震影响系数可取max ,并按地下室 数考 水平
9、地震作用降低系数。212 地下室 构构件的内力 地下室 构 j 的地震剪力 准 VB , j 可按下式 算:jVB , j =FEk +i=1FB , i(3) 采用地下室 构的地震剪力 准 算水平地震作用 生的地下室 构构件的内力 准 ; 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 代表 生的效 。213 混凝土 度等 地下室 构构件的混凝土 度等 不低于上部 构相 构件的混凝土 度等 。214 抗震等 地下一 与上部 构的抗震等 相同 ,以下可逐 降低一 ; 于丙 建筑 ,7 度 不宜低于四 ,8 度 不宜低于三 ,9 度 不宜低于二 ; 于乙 建筑 ,6 度 不宜低于四 ,7
10、度 不宜低于三 ,8 度 不宜低于二 ,9 度 研究。除 9 度外 ,上部 构以外范 大的地下室 构可采用三四 。215 框架柱 (1) 地上一 框架柱下端 按相 抗震等 考 柱底部弯矩增大系数 ,地上一 柱的 向配筋 按柱下端的内力 配置 ,避免塑性 由柱端向上 移。(2) 地下室 板 的梁、地下一 柱及外 的弯矩 考 地上一 柱下端在地下室 部屈服引起的作用 ,即内柱:下上( )Myb + 0 . 8 MycMyc4a沿地下室外 的柱( 梁垂直于外 ) :上- Mc()Myb Myc4b():沿地下室外 的柱包括角柱Myc上()Tb = 0 . 8 hw4c式中: M上yc 地上一 柱底截
11、面按 配 筋及 力 的抗震正截面承 力; M下yc 地下一 柱截面按 配 筋及 力 的抗震正截面承 力; Myb 地下室 板 , 梁柱 点两 梁端反 或 方向的 配抗震受弯承 力之和; Mc 地下室外 壁图 2嵌固在基础顶部时抗震墙底部加强部位的高度( 下 第27 页)17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图 7El Centro 波作用下区设计的超限高层建筑 ,经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 ,
12、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 ,框支层采取加强措施后 ,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
13、、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 . 北京: 中国建筑工业出版社 ,1989.2 钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程(J GJ3 91) S . 北京:中国建筑工业出版社 ,1991.3 建筑抗震设计规范 ( GB50011 2001) S . 北京: 中国建筑工业出版社 ,2001. 4 高层建筑混凝土结
14、构技术规程 (J GJ3 2002 J 186 2002) S . 北京:中国建筑工业出版社 ,2002.薄弱层会上移至转换层以上 ,设计时转换层以上相邻的几层应该按剪力墙底部加强区处理 ,加强的层数不小于两到三层。(3) 框支层的剪力墙应采取增加延性的措施 ,如 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
15、点应按 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)
16、 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。尺寸和边缘构件的纵向钢筋配筋率不应小于地上一层参 考文 献对应的抗震墙; 若地下一层抗震墙的截面尺寸和边缘 1 建筑抗震设计规范( GB50011 2001) S .构件的纵向钢筋配筋率大于地上一层对应的抗震墙 2 日本 1981 年“建筑基准法”.时 ,地下二层及以下各层抗震墙的截面尺寸和边缘构 3 UBC19971163312110 条.27
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