一种剪力墙抗震设计中的拉力控制方法
阅读：395发布：2020-05-08
专利汇可以提供一种剪力墙抗震设计中的拉力控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种剪 力 墙抗震设计中的拉力控制方法，其将中震和大震下的墙体有效拉力的计算分为两个阶段：第一个阶段为名义拉 应力 达到 混凝土 抗拉强度 标准值ftk之前的阶段，该阶段墙体中的拉力在混凝土开裂后全部由 钢 材承担；第二个阶段为名义拉应力超过混凝土抗拉强度标准值ftk以后的阶段，该阶段新增加的拉力考虑 刚度 退化和内力重分布进行折减后全部由钢材承担；并且第二阶段新增加的拉力根据 变形 需求原则进行计算。本方案考虑剪力墙混凝土受拉开裂后的内力重分布，建立和变形需求相关的钢板应力控制原则，实现在多遇 地震 、设防地震和罕遇地震下剪力墙的合理拉力控制，在保证安全的前提下，显著降低钢材的用量。，下面是一种剪力墙抗震设计中的拉力控制方法专利的具体信息内容。
1.剪力墙抗震设计中的拉力控制方法，其特征在于，将中震和大震下的墙体有效拉力的计算分为两个阶段：
第一个阶段为名义拉应力达到混凝土抗拉强度标准值ftk之前的阶段，该阶段墙体中的拉力在混凝土开裂后全部由钢材承担；
第二个阶段为名义拉应力超过混凝土抗拉强度标准值ftk以后的阶段，该阶段新增加的拉力考虑刚度退化和内力重分布进行折减后全部由钢材承担；并且第二阶段新增加的拉力根据变形需求原则进行计算，两个阶段的拉力相互叠加作为整个墙体的有效拉力。
2.根据权利要求1所述的剪力墙抗震设计中的拉力控制方法，其特征在于，所述变形需求原则包含两个经验数值，第一个数值为结构弹塑性分析与等效弹性分析的变形比例，偏于安全取为2.0，第二个数值为大震与中震的变形比例，也取为2.0。
3.根据权利要求1所述的剪力墙抗震设计中的拉力控制方法，其特征在于，刚度退化和内力重分布带来的拉力折减系数取为0.2。
4.根据权利要求1所述的剪力墙抗震设计中的拉力控制方法，其特征在于，所述拉力控制方法中还包括剪力墙抗拉含钢量需求计算步骤。
5.根据权利要求4所述的剪力墙抗震设计中的拉力控制方法，其特征在于，在计算剪力墙抗拉含钢量需求时，以确定的有效拉力全部由剪力墙中的钢材承担，并控制钢材的平均拉应力小于钢材的设计强度，由此确定钢材含量需求。
一种剪力墙抗震设计中的拉力控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及建筑结构抗震技术，具体涉及建筑结构抗震设计中剪力墙拉力设计中剪力墙拉力的确定方案。
背景技术
[0002] 《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》建质[2015]67号文规定：“中震时双向水平地震下墙肢全截面由轴向力产生的平均名义拉应力超过混凝土抗拉强度标准值时宜设置型钢承担拉力，且平均名义拉应力不宜超过两倍混凝土抗拉强度标准值(可按弹性模量换算考虑型钢和钢板的作用)，全截面型钢和钢板的含钢率超过2.5％时可按比例适当放松。”这一条规定的初衷在于控制墙体内钢筋和型钢在中震下受拉时的应力水平不至于过高，比如控制在200Mpa以内，之所以采用名义拉应力是一种简便操作方法。
[0003] 根据这一要求，在一些高烈度地区的超高层结构，经常出现由于墙肢名义拉应力较大而增配大量的型钢，导致结构成本显著提高。
[0004] 钢筋混凝土剪力墙在地震作用下拉应力的控制问题一直是本领域讨论的焦点问题，针对到底需不需要控制、如何合理计算拉应力有不少讨论，但一直未形成被普遍接受的观点和做法。
[0005] 该条规定的最大不合理之处在于采用了弹性(或等效弹性)计算分析方法，内力是在不考虑混凝土受拉开裂的情况下得到的，该内力是一种虚假内力，在此基础上进一步假定混凝土不能承担拉力，需要全部由型钢抵抗，由此计算钢材的拉应力。并且整个过程不考虑结构刚度退化后的内力重分布。在这种情况下，所得型钢的需求量往往严重偏大。而实际情况是，混凝土在很低的应力水平下即会开裂，由于内力重分布的存在，整个截面的名义拉力不会很大，钢材需要承担的拉力也不会太高，因此为保证钢材在弹性阶段，所需含钢率一般不会太高。
发明内容
[0006] 针对现有钢筋混凝土剪力墙在地震作用下拉应力的控制方案所存在的问题，本发明的目的是提供一种剪力墙抗震设计中的拉力控制方法，其能够准确计算钢筋混凝土结构中的剪力墙在地震中墙肢有效拉应力，并可根据此拉力计算钢材应力水平，实现合理的剪力墙配筋/配钢设计，最终使设计更为科学合理，安全经济。
[0007] 为实现上述目的，本发明提供的剪力墙抗震设计中的拉力控制方法，将中震和大震下的墙体有效拉力的计算分为两个阶段：
[0008] 第一个阶段为名义拉应力达到混凝土抗拉强度标准值ftk之前的阶段，该阶段墙体中的拉力在混凝土开裂后全部由钢材承担；
[0009] 第二个阶段为名义拉应力超过混凝土抗拉强度标准值ftk以后的阶段，该阶段新增加的拉力考虑刚度退化和内力重分布进行折减后全部由钢材承担；并且第二阶段新增加的拉力根据变形需求原则进行计算，两个阶段的拉力相互叠加作为整个墙体的有效拉力。
[0010] 进一步地，所述变形需求原则包含两个经验数值，第一个数值为结构弹塑性分析与等效弹性分析的变形比例，偏于安全取为2.0，第二个数值为大震与中震的变形比例，也取为2.0。
[0011] 进一步的，刚度退化和内力重分布带来的拉力折减系数取为0.2。
[0012] 进一步的，所述拉力控制方法中还包括剪力墙抗拉含钢量需求计算步骤。
[0013] 进一步的，在计算剪力墙抗拉含钢量需求时，以确定的有效拉力全部由剪力墙中的钢材承担，并控制钢材的平均拉应力小于钢材的设计强度，由此确定钢材含量需求。
[0014] 本发明提供的方案考虑剪力墙混凝土受拉开裂后的内力重分布，建立和变形需求相关的钢板应力控制原则，实现在多遇地震、设防地震和罕遇地震下剪力墙的合理拉力控制，在保证安全的前提下，显著降低钢材的用量。
[0015] 本方案相对于现有方案具有如下优势：
[0016] (1)采用“基于变形需求考虑内力重分布的剪力墙有效拉力的计算方法”得到的墙体拉力更加接近墙体的真实内力，避免了传统方法对墙体拉力的严重夸大。
[0017] (2)采用本方法所得墙体有效拉力进行配筋/配钢，通常可以显著降低钢材的用量。
[0018] (3)本方法概念清晰，操作简单，设计结果可控。
[0020] 以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。
[0021] 图1为本发明实例中剪力墙抗震设计拉力控制流程图
[0022] 图2为本发明实施例效果图；
[0023] 图3为本发明实施例中震墙肢拉应力；
[0024] 图4为本发明实施例中核心筒墙肢编号示意图；
[0025] 图5为本发明实施例中大震下不同墙肢拉力沿高度变化曲线示意图；
[0026] 图6为本发明实施例中大震下混凝土及型钢等效应力沿刚度变化曲线示意图；
[0028] 图8为本发明实施例中大震核心筒破坏情况示意图。
具体实施方式
[0029] 为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
[0030] 本实例针对现有技术问题，给出一种能够准确计算钢筋混凝土结构中的剪力墙在地震中墙肢有效拉力的方案，并根据此拉力计算钢材应力水平，实现合理的剪力墙配筋/配钢设计，最终使设计更为科学合理，安全经济。
[0031] 为此，本方案给出了基于变形需求考虑内力重分布的剪力墙有效拉力的确定方案以及剪力墙抗拉含钢量需求确定方案。
[0032] 其中，本方案在基于变形需求考虑内力重分布的剪力墙有效拉力确定时，在多遇地震中，进行弹性分析，不考虑刚度退化后的内力重分布，直接得到墙肢拉力作为有效拉力；在设防地震和罕遇地震下，进行等效弹性分析，并基于变形需求原则，考虑混凝土开裂后的刚度退化和内力重分布，计算墙肢的有效拉力。
[0033] 进一步的，地震作用下剪力墙内配置的钢材需要抵抗的拉力为考虑混凝土发生开裂刚度退化、内力发生重新分配后墙肢的有效拉力。
[0034] 本方案在进行剪力墙抗拉含钢量需求确定时，假定基于本方案的有效拉力计算方案获得的内力，全部由剪力墙中的钢材承担，控制钢材的平均拉应力小于钢材的设计强度，由此确定钢材含量需求。
[0035] 基于上述原理，本方案中钢筋混凝土结构中的剪力墙在地震中墙肢拉力控制的目标为：墙体开裂后，钢筋/型钢能够抵抗全部拉力，且该应力水平维持在弹性阶段。
[0036] 同时，地震作用下剪力墙内配置的钢材需要抵抗的拉力应该为真实有效拉力，即考虑混凝土发生开裂刚度退化、内力发生重新分配后墙肢的有效拉力，而不应是严重夸大的虚假内力。
[0037] 由此，本方案给出了一种基于变形需求考虑内力重分布的剪力墙有效拉力的计算方法，以实现墙体有效拉力的合理计算。该方法将墙体有效拉力的计算分为两个阶段：
[0038] 第一个阶段为名义拉应力达到混凝土抗拉强度标准值ftk之前的阶段，该阶段墙体中的拉力在混凝土开裂后全部由钢材承担；
[0039] 第二个阶段为名义拉应力超过混凝土抗拉强度标准值ftk以后的阶段，该阶段新增加的拉力考虑刚度退化和内力重分布进行折减后全部由钢材承担；并且第二阶段新增加的拉力根据变形需求原则进行计算，两个阶段的拉力相互叠加做为整个墙体的有效拉力。
[0040] 这里的“变形需求”包含了两个经验数值，第一个数值为结构弹塑性分析与等效弹性分析的变形比例，偏于安全取为2.0，第二个数值为大震与中震的变形比例，也取为2.0。这两个经验数值在具体工程项目有实际计算结果时，可以进行调整。刚度退化和内力重分布带来的拉力折减系数取为0.2。
[0041] 据此，本方案同样给出了一种剪力墙抗拉含钢量需求计算方法，其在计算钢材的拉应力时，采用基于变形需求考虑内力重分布的剪力墙有效拉力的计算方法来计算的墙体有效拉力，且钢材不区分钢筋、型钢和钢板，假定三者都能承担拉力。
[0042] 由此上可知，本方案在在明确钢筋混凝土结构中的剪力墙在地震中墙肢拉力控制的目标后，通过基于变形需求考虑内力重分布的剪力墙有效拉力的计算方式确定剪力墙有效拉力，并根据此有效拉力对墙体内钢材的拉应力进行计算评估，继而得到所需配钢量。
[0043] 参见图1，其所示为本方案进行剪力墙抗震设计中的拉力控制的具体实施流程图。
[0044] 由图可知，本方案基于变形需求考虑内力重分布对剪力墙有效拉力进行控制的过程具体包含以下步骤：
[0045] (1)首先计算重力荷载代表值下墙肢的平均应力水平(或轴压比)f1，换算为抗拉强度ftk的倍数为n1＝f1/ftk；
[0046] (2)采用等效弹性法计算中震单工况下的墙体平均拉应力f2，n2＝f2/ftk，中震下墙肢的名义拉应力与抗拉强度ftk的比值为n＝n2-n1，若n<1.0，则该墙体满足控制要求；若n>1.0，则需执行后面步骤；
[0047] (3)第一阶段拉力计算：该阶段为墙肢名义拉应力刚好达到1ftk，此时地震作用水平相当于中震的比例为(n1+1)/n2；该阶段拉力在混凝土开裂后全部由钢材承担；
[0048] (4)第二阶段新增拉力计算：该阶段为墙肢名义拉应力在(1.0～n)ftk阶段，刚度退化系数为0.2，则新增拉力为0.2x[n2-(n1+1)]ftk；
[0049] (5)两阶段的拉力叠加得到墙体有效拉应力为：(0.2n+0.8)ftk；考虑全部有效拉力由钢材承担，则钢材拉应力控制为：(0.2n+0.8)ftk/r<300，其中r为纵筋率(含钢率)；
[0050] (6)大震水平近似为2倍的中震；考虑非线性可能导致的变形增大系数为2.0；由此计算大震钢材拉应力控制为：(0.6n1+0.8n+0.8)ftk/r<300。
[0051] 上述控制方式即对钢筋拉应力水平的控制，与原有控制方法的核心区别在于考虑墙体受拉开裂刚度退化内力重分布后对轴力折减的影响，这样可以避免弹性计算中拉力过大的失真情况，并且对大震不屈服进行控制，其中引入一种等效的变形需求原则。
[0052] 根据本控制方法，以C60混凝土为例，如果中震下的名义拉应力为2ftk，则在大震下控制钢筋应力不超过300M的含钢率约为5％，若仅控制中震不屈服时，含钢率约为1％，即便控制在更低的200M，也仅需1.7％，通过增加一些配筋即可，无需配置型钢。当结构的其它指标(如层间位移角、构件抗剪承载力等)较好满足规范的情况下，可认为是一种更为精细且概念上满足安全的做法。
[0053] 下面结合附图2-图8给出的具体应用实施例对本方案进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了实施方式和操作过程，但发明的保护范围不限于此实施例。
[0054] 【实施例】
[0055] 实施例基本说明：
[0056] 参见图2，本实例中涉及一种超高层建筑塔楼共138层，结构高度为598米，采用“巨型框架+核心筒+伸臂桁架”结构体系，以承担风和地震产生的水平作用。核心筒位于平面中心，采用劲性钢筋混凝土核心筒，底部加强区墙内设置钢板。巨型框架由巨型型钢混凝土柱和环带桁架组成，八根巨柱位于结构平面的四侧，每侧为2根。环带桁架设置于机电层和避难层，共12道。为提高整体结构抗侧刚度，增强核心筒和巨型框架之间的共同作用，沿结构高度一共设置了5道伸臂桁架。本项目基本抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，Ⅲ类场地，场地特征周期0.65s。
[0057] 具体实施过程：
[0058] Step1：墙体轴压力计算。本项目控制的轴压力基本相当于混凝土抗拉强度标准值的5倍，即n1＝5。
[0059] Step2：中震有效拉应力及配钢计算。中震与竖向恒载组合工况(1.0恒载+1.0中震)下的各墙肢名义应力计算结果汇总于图3。受拉墙肢主要集中在高区，最大的拉应力为4.25MPa，名义拉应力为1.5ftk，即n＝1.5，有效拉应力为：0.2n+0.8＝1.1ftk；所需含钢率为：r＝1.1ftk/300＝1.0％。在剪力墙的设计中，对于拉应力较大的墙肢，已增大对应的墙肢型钢含钢率，提高墙体抗弯承载力。
[0060] Step3：大震有效拉应力及配钢计算。有效拉应力为0.6n1+0.8n+0.8＝5.0ftk，所需配率为r＝5.0ftk/300＝4.75％。
[0061] Step4：实际配钢，兼顾安全性和经济性。本项目相关楼层剪力墙的最终型钢含量在3％，同时考虑约束边缘构件区域的钢筋2％，可保证墙体满足大震下的抗拉要求。
[0062] Step5：大震弹塑性分析性能验证。对该项目进行整体弹塑性分析，考察墙体的实际受拉及性能状态。实际大震弹塑性的结果如下：
[0063] 墙肢最大为10.3MPa，约为3.6ftk，出现在10区底(WX2B)；型钢应力最大超过500MPa，大于钢材的屈服强度(如图4，图5-图6)；考虑钢筋和型钢综合含钢率，最大210MPa，小于钢材的屈服强度，实现了大震钢筋受拉不屈服的目的。同时控制层间位移角满足规范要求，墙体性能满足要求(图7-图8)。
[0064] 通过上述具体实施例可知，本方案在控制墙体受拉方面具有很好的可行性。
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