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【结构讲坛】| 学与思, 关于嵌固部位刚度比及其设计要点的一些商榷

结构微理论 | 让结构设计飞的更高更远! 2022/09/24 00:53

 结构思索 

本文为本公众号2022年6月10日原创文《 【结构讲坛】| 学与思,对《建筑结构设计疑难300问》一书中嵌固部位刚度比及其设计要点的一些商榷 (读者可以直接点击标题查阅) 的修订版。鉴于早期部分文章在排版、编辑方面存在部分不足,为了提升阅读观感,故而利用非头条推文做出如下修订。

⒈新修订的文章在技术上几乎与原文保持一致,发布后将替换“合集”中原文。

⒉鉴于原文可能会被其他文章作为超链接引用,故而原文依然保留在公众号中,仅仅不再出现在“ 合集 ”中。

⒊修订过程中会纠正个别的错别字和插图,优化部分标题,提升阅读效率。


由辛力老师编著的《建筑结构设计疑难300问》一书于2021年10月 经建工社正式 出版 ,段老师也认真学习了相关技术内容,受益匪浅。 首先感谢辛力老师的担当和付出,愿意把多年来设计的经验、想法和易错点分享出来。但是本人在学习的过程中也对部分内容深感疑团重重,故而就本书部分内容发表一点自己的拙见供结构界同仁思索。

新知达人, 【结构讲坛】| 学与思, 关于嵌固部位刚度比及其设计要点的一些商榷

▲素材: 建筑结构……疑难300问 (选段)

就本书中关于嵌固部位判别用的刚度比及其设计的相关内容,段老师给出一些非正式的看法,旨在较为准确的在宏观上理解结构设计的基本概念、逻辑和做法,本书中也有其他关于盲目包络的问题,我们在之前的文章中也在逻辑上和合规上做了论述,这里也不再浪费笔墨。由于水平有限,讨论内容可能在表达方式和知识准确性方面有不妥之处,欢迎广大同行批评指正!

阅读本文之前,读者需要认真阅读本公众号之前发布的原创文《 【结构讲坛】| 学与思,对《京施审专家委房建〔2015〕结字第1号—结构专业相关问题研讨会纪要》中抗震等级篇幅的部分纪要的商榷 (读者可以自行点击标题查阅) 自行了解结构计算嵌固部位和结构延性嵌固部位的区别,下文我们不再详细辨析

1、结构计算嵌固部位 作为结构模型的“ ”,也就是力学中的固定端约束,需要该部位拥有“无限大”的抗侧刚度和抗转动刚度以确保该部位侧移和转角均为零。实际工程中,为了提高计算效率当地下一层与首层侧向刚度比不小于2时,可以对模型进行简化使其以地下室顶板为结构计算嵌固部位,用于计算结构的地震作用、内力和变形,即建筑结构的整体计算。当然了,计算嵌固部位的简化选取还要关注楼板的开洞率、开洞位置和地下室周围土的侧限等相关要素,这里我们仅仅讨论刚度比。

值得我们 注意 的是,力学中的“无穷大”在工程中通常并不像读者想象的要达到成千上万倍,有的时候可能也就两三倍就可以满足工程的精度要求,即达到工程意义上的“无穷大”。读者回顾下框架结构在水平荷载作用下内力计算的反弯点法,按照力学的要求需要梁的线刚度之和与柱的线刚度之和的比值达到无穷大才可以使用,但是工程中如果该之比能达到3即可满足构件端部弯矩误差小于5%而可以在工程中使用反弯点法。

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▲图一:10版《高规》

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▲图二: 10版《 规》

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▲图三: 《创新文稿集

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▲图四:21版广东 《高规

2、结构延性嵌固部位: 作为地上主体规则结构在地震作用下 最容易破坏的部位 ,结构设计人员应尽可能准确地找到它。采取措施避免它附近相关构件的有害破坏导致整个楼的严重破坏 (例如提高该区域框架柱的抗弯承载力推迟柱端出现塑性铰) 并且 提高该部位延性和抗剪承载力 ;适当利用它附近构件的可控延性破坏 (例如不提高该区域及其相关区域剪力墙的抗弯承载力,保证剪力墙底部可以出现塑性铰,使得更多的耗能构件都可以屈服耗能) 并提高该部位延性和抗剪承载力。

地下室顶板上下的楼层 (首层和地下负一层) 是容易出现明显刚度突变的 (初始思考阶段可以把钢筋混凝土结构当成均质材料结构对待,甚至都可以当成均质实体结构对待) ,地上主体规则结构当地下和地上有明显刚度突变则就有了该位置首先出现塑性铰的可能性,而结构延性嵌固部位就是结构首先出现塑性铰的部位。

刚度明显突变导致结构出现塑性铰的地下一层与首层的刚度比一定是比用于满足结构整体计算所需要的刚度比要松的。所以如图五和六所示《地规》和《筏箱规》对于延性嵌固部位所需要的刚度比放宽得非常合乎于延性嵌固部位不等同于计算嵌固部位的结构逻辑。

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▲图五: 11版 《地规

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▲图六: 11版《筏规》

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▲图七: 10版《高规》

3、总结及反思: 通过上述对结构计算逻辑和结构设计逻辑表述,我们可以得出结论,结构计算嵌固部位和结构延性嵌固部位是两个截然不同的概念。理论上讲,作为简化结构整体计算 (如果结构选在基础顶面为计算嵌固部位,不用简化,就没有这个区分的必要) 的结构计算嵌固部位的刚度比限值和用于结构加强设计的结构延性嵌固部位的刚度比限值是不应该相同的。基于上述认识,我们认为素材存在以下问题或不合理性:

第一,素材中对于结构嵌固部位的表述是二者皆有或者干脆说是混为一谈的。混为一谈的原因是作为混凝土结构的两本主流规范《抗规》和《高规》一直是发扬相互借鉴的精神,导致结构设计人员无法走出嵌固部位的太极怪圈。

第二, 《地规 》和 《筏 箱规 》用 刚度比1.5作为限值来判别结构延性嵌固部位不是因为回填土的缘故,因为《高规》也是对于地下室周围回填土也是有要求的,不是放任自流。而是 《地规 》和 《筏 箱规 》能够认识到延性嵌固部位不等同于计算嵌固部位,故而不宜用同一个限值。如图三所示,回填土的作用是概念性的,仅仅可以作为间接储备,规范不可能因为稍微回填的严格点就大幅放宽延性嵌固部位的直接嵌固要求,起码缺乏研究。

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▲图八: 10版《高规》

第三 ,素材中的1.8界限也是没有根据的。勉强要说根据很可能是对《抗规》进行有效数字的反处理。比如《抗规》要求首层与地下一层刚度比不大于0.5,利用有效数字0.549…≈0.5,而0.549 …的倒数等于1.8。但是我们在之前的原创文《 【结构讲坛】| 反诡辩,“四舍五入”或者5%误差许可能否成为结构工程师违背规范的保护伞 (读者可以自行点击标题查阅 就批判过有效数字反过来用于结构设计的不合理现象。

第四,刚度比不满足要求的包络设计建议是不符合结构计算和结构设计逻辑的,这个我们在之前的原创文《 【结构讲坛】| 喜忧参半,对《 济南市施工图审查委员会第三期会议纪要》中混通规一些疑点问题的商榷 (读者可以自行点击标题查阅) 提及过所谓包络设计的逻辑性和合规性的缺陷。对于计算嵌固部位,如果刚度比不满足要求,就可以直接把计算嵌固部位放置于基础顶,按照图四广东省《高规》推荐的方法计算 (广东省10年前就推荐结构计算嵌固部位放置于基础顶) 。对于延性嵌固部位,当刚度比不满足要求,负一层地下室顶板依然是 首要 起始加强部位,此时的地下室顶板依然可以 参考 地下室顶板作为嵌固部位的要求进行设计,结构的底部加强部位下落到负一层地下室的底板即可。多层地下室的话,地下一层底板并不要刻意满足当地下室顶板作为嵌固部位的楼盖形式、楼板厚度、配筋率以及梁的配筋加强等诸多限制要求。

引注资料:

《高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ03-2010

《创新思维结构设计程懋堃设计大师文稿集》 程懋堃 著

广东 《高层建筑混凝土结构技术规程》DB J/T15-92-2021

《建筑地基基础设计规范》 GB50007-2011

《高层建筑筏形与箱形基础技术规范》 JGJ6-2011 

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