结构设计中薄弱层详解

结构薄弱层的概念和控制一、结构层刚度沿竖向突变产生的薄弱层1.1规范条文高规的4.4.2、5.1.14条规定，抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度小于其上一层的70%或小于其上相临三层侧向刚度平均值的80%，或某楼层竖向抗侧力构件不连续，其薄弱层对应于地震作用标准值的地震剪力应乘以1.15的增大系数。1.2软件实现规范对结构的层刚度有明确的要求，在判断楼层是否为薄弱层时，抗震规范和高规建议的计算层刚度的下列方法（地下室是否能作为嵌固端、转换层刚度是否满足要求等，都要求有层刚度作为依据）：方法1：高规附录E.0.1建议的方法——剪切刚度：Ki=GiAi/hi方法2：高规附录E.0.2建议的方法——剪弯刚度：Ki=1/Δi方法3：抗震规范的3.4.2和3.4.3条文说明及高规建议的方法――地震剪力与地震层间位移的比：Ki=Vi/Δi软件已全部实现。程序提供三种方法的选择项，用户可以选用其中之一。程序隐含的方法是第3种，即地震作用下层剪力与层间位移之比。对于薄弱层：（1）程序将该层地震作用标准值的地震剪力乘以1.15的增大系数；（2）程序设有‘指定薄弱层’项。用户可手工指定薄弱层；（3）这三种计算方法有差异是正常的，可以根据需要选择；（4）对于大多数一般的结构应选择第3种层刚度算法；选择第3种方法计算层刚度和刚度比控制时，一般要采用“刚性楼板假定”的条件。对于有弹性板或板厚为零的工程，应计算两次。在刚性楼板假定条件下计算层刚度并找出薄弱层。再在真实条件下计算，并且检查原找出的薄弱层是否得到确认，完成其它计算。转换层是楼层竖向抗侧力构件不连续的薄弱层。不管该层程序判断是否满足刚度比要求，用户都应将该层手工置为“薄弱层”。1.3操作方法分为‘层刚度比计算方法的设定’和‘指定薄弱层’的操作。SATWE层刚度比计算方法的设定①进入菜单《2.结构分析和构件能力计算》→《SATWE计算控制参数》在‘层刚度比计算’框中的三个任选项－‘剪切刚度’、‘剪弯刚度’或‘地震剪力与地震层间位移的比’内选一打‘·’，则可。指定薄弱层，此时程序自动判定的薄弱层仍旧调整进入菜单《1.接PM生成SATWE数据》→《1.分析与设计参数补充定义》→《调整信息》在‘指定的薄弱层个数’项内填入要用户设定薄弱层的总层数，再在‘各薄弱层层号’项内填入薄弱层的结构层号。1.4关联操作‘刚性楼板假定’：详见1.4节。设定第三种层刚度比计算方法（地震剪力与地震层间位移的比）时，一般应该有刚性楼板假定。1.5结果说明程序逐层输出每一层层刚度比和薄弱层地震剪力放大系数。SATWE层刚度比和薄弱层地震剪力放大系数的结果可在WMASS.OUT中查看。如以下所示：各层刚心、偏心率、相邻层侧移刚度比等计算信息Ratx，Raty：X、Y方向本层塔侧移刚度与下一层相应塔侧移刚度的比值Ratx1，Raty1：X、Y方向本层塔侧移刚度与上一层相应塔侧移刚度70%的比值或上三层平均侧移刚度80%的比值中之较小者RJX，RJY，RJZ：结构总体坐标系中塔的侧移刚度和扭转刚度FloorNo：1，TowerNo.：1Xstif=45.7917(m)，Ystif=-11.6787(m)，Alf=0.0000(Degree)Xmass=50.9751(m)，Ymass=-13.9529(m)，Gmass=1022.9373(t)Eex=0.4070，Eey=0.1706Ratx=1.0000，Raty=1.0000Ratx1=2.1582，Raty1=2.3140，薄弱层地震剪力放大系数=1.00RJX=4.7175E+06(kN/m)，RJY=4.7783E+06(kN/m)，RJZ=0.0000E+00(kN/m)二、结构楼层受剪承载力沿竖向突变产生的薄弱层2.1规范条文高规的4.4.3、5.1.14条规定，A级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力的80%，不应小于其上一层受剪承载力的65%；B级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不应小于其上一层受剪承载力的75%。抗震设计的高层建筑结构,结构楼层层间抗侧力结构的承载力小于其上一层的80%，其薄弱层对应于地震作用标准值的地震剪力应乘以1.15的增大系数。2.2软件实现程序无自动进行楼层层间受剪承载力不满足的判断的功能。用户在确定某层抗侧力结构的受剪承载力小于其上一层的80%时，应将该层手工设置为薄弱层。2.3操作方法用户可做‘指定薄弱层’的操作。“抗震规范”表3.4.2—2竖向不规则的类型中，除侧向刚度不规则和楼层承载力突变以外，还有竖向抗侧力构件不连续∶竖向抗侧力构件（柱、剪力墙、抗震支撑）的内力由水平转换构件（梁、桁架等）向下传递。这是带转换层结构，转换层是竖向抗侧力构件不连续部位，属薄弱层，该层的地震剪力应乘1.15。三、结构弹塑性变形验算我国的抗震设计的基本思想，是“三水准设防和两阶段设计”；三水准设防是“小震不坏，中震可修，大震不倒”；两阶段设计是∶第一阶段，小震下弹性设计，即多遇地震下结构和构件承载力验算和结构弹性变形验算，对各类结构按规范要求采取抗震措施；第二阶段，罕遇地震下的弹塑性变形验算。结构弹塑性变形验算，指罕遇地震下结构层间位移不超过层间弹塑性位移角限值，属变形能力极限状态验算。3.1验算范围“高规”4.6.4条，高层建筑结构在罕遇地震作用下薄弱层弹塑性变形验算，符合下列结构应进行弹塑性变形验算：（1）7--9度时楼层屈服强度系数小于0.5的框架结构；（2）甲类建筑和9度抗震设防的乙类建筑结构；（3）采用隔震和消能减震技术的建筑结构。下列结构宜进行弹塑性变形验算：（A）在下列高度范围：（1）8度Ⅰ、Ⅱ类场地和7度，建筑高度大于100m；（2）8度Ⅲ、Ⅳ类场地，建筑高度大于80m；（3）9度，建筑高度大于60m。并且存在以下问题的：（1）刚度突变的软弱层；（2）受剪承载力的突变层；（3）结构竖向抗侧力构件上下不连续贯通；（4）上部楼层收进部位到室外地面的高度H1与房屋高度H之比大于0.2时，上部楼层收进后的水平尺寸B1小于下部楼层水平尺寸的0.75倍；（5）上部结构楼层相对于下部楼层外挑时，下部楼层的水平尺寸B小于上部楼层水平尺寸B10.9倍，且大于4m。（B）7度Ⅲ、Ⅳ类场地和8度抗震设防的乙类建筑结构；（C）板柱--剪力墙结构。验算目的，防止结构在罕遇地震时倒塌。楼层屈服强度系数是指，按构件实际配筋和材料强度标准值计算的楼层受剪承载力与按罕遇地震作用计算的楼层弹性地震剪力的比值。3.2弹塑性变形计算方法（1）罕遇地震作用取值烈度789αmax0.50(0.72)0.9(1.2)1.4（2）作用效应组合只考虑罕遇地震下的弹塑性层间变形，不考虑其它荷载下产生的变形；地震作用分项系数取1.0，其它荷载组合值系数取0.0。（3）计算方法“高规”5.5.1条规定，7、8、9度抗震设计的高层建筑结构，在罕遇地震作用下薄弱层（部位）弹塑性变形计算可采用：（a）弹塑性位移增大系数法；“高规”5.5.3条的简化方法，适用于不超过12层，且层侧向刚度无突变的框架结构。（b）弹塑性时程分析方法；(EPDA)（c）“抗震规范”5.5.3条，提出还可采用静力弹塑性分析方法。(PUSHOVER)3.3弹塑性层间位移的简化方法简化方法即为弹塑性位移增大系数法。A.结构薄弱层的位置确定按“高规”5.5.3.1款有：（1）楼层屈服强度系数沿高度分布均匀的结构，可取底层；（2）楼层屈服强度系数沿高度分布不均匀的结构，可取该系数最小的楼层及相对较小的楼层，一般不超过2--3处。B.层间弹塑性位移可按下列公式计算ηp----弹塑性位移增大系数，当薄弱层的屈服强度系数不小于相邻层该系数平均值的0.8，按下表采用；当不大于该平均值的0.5时，可按表内相应数值的1.5倍采用；其他情况可采用用内插。ppeu结构的弹塑性位移增大系数ηpξy框架总层数0.50.40.32--41.31.41.605--71.51.651.808--121.82.002.20ξy---楼层屈服强度系数。ξy=VY/VeVY---楼层受剪承载力，按构件实际配筋和材料强度标准值计算；Ve---罕遇地震作用标准值产生的框架层间地震剪力；可采用多遇地震作用标准值产生的层间地震剪力乘以罕遇地震与多遇地震的水平地震影响系数最大值的比值；对于7、8、9度，此比值分别有6.25、5.625和4.375。C.弹塑性位移验算其中：层间弹塑性位移角限值，一般情况可采用1/50，当柱轴压比小于0.40时，可提高10%；当柱全高的箍筋构造比规范规定的最小配筋特征值大30%时，可提高20%，但累计不超过25%。ppuHpD.楼层受剪承载力的估算TAT、SATWE采用“拟弱柱化法”，计算公式如下：1'0()()()()0.5(1/)aualcycyYjmYYjjaacyykssGcGcccmkMiMiVHVViMfAhaNhNbhfMcya---柱端按实际配筋和材料强度标准值计算的正截面受弯承载力；Fyk----钢筋强度标准值；Asa----受拉区纵向钢筋实际配筋截面面积；NG-----重力荷载代表值的柱轴向力；Fcmk-----混凝土轴心抗压强度标准值。E.软件的操作（弹塑性位移增大系数法)在进入“构件配筋设计与验算”菜单时，选择“计算12层以下框架结构的薄弱层”的计算选项，程序会自动执行计算，结果输出在TAT-K.OUT（TAT）、SAT-K.OUT（SATWE）文件中。以一幢7层框架为例，输出的SAT-K.OUT文件内容如下：=========================================OutputofWeak-Storey-AnalysisofFrameStructureDisplacementsofFloorsunderearthquakeload==========================================Vx、Vy-----TheShearForceofFloors（楼层剪力）VxV、VyV-----TheBearingShearForceofFloors（楼层承载力）----------------------------------------------------------------------FloorTowerVxVyVxVVyV(kN)(kN)(kN)(kN)----------------------------------------------------------------------71330.78384.67794.12741.31612430.162683.983656.013711.57514063.654389.334797.234797.23415255.975630.555531.875531.87316192.916645.115858.665858.66217152.737659.955963.406000.83118183.148707.415145.584952.42(楼层剪力）（楼层承载力）TheYieldCoefficientsofFloor（楼层屈服强度系数）--------------------------------------------------------------------FloorTowerGsxGsy--------------------------------------------------------------------712.40071.9271611.50441.3829