[分享][行业感悟]钢砼框架核心筒高层建筑中美规范设计对比
一、背景
一个国家的设计规范是一个完整的体系,现在大部分已有规范对比研究仅为简单地对比某一具体结构指标或参数的大小,不能充分反映规范的完整设计思想或安全度水平。在同等设计目标的前提下,按照不同国家的规范独立进行结构设计,并统一计算标准之后,再进行设计结果的对比才能更真实地反映不同国家规范设计的差异。
本文以一个典型的钢筋混凝土框架核心筒高层建筑工程为研究对象,对比分析中国和美国规范设计的差异。
二、设计参数
结构平面尺寸为44mx44m,外框柱距为8.8m,外框柱距核心筒距离为12m,核心筒平面尺寸为21.8mx20m,建筑总高98m,楼层数24层,首层层高为6m,其余层层高为4m,建筑高宽比为2.2,核心筒高宽比为4.9。
只确定建筑的轴线布置、建筑功能、层高等功能性,构件尺寸根据中美两国规范的设计结果确定。
建筑结构平面图
1、地震作用
中美两国规范按相同的场地剪切波速确定场地类别,中国工程师选择Ⅲ类场地,设计地震分组为第一组,设计特征周期Tg=0.45s;美国工程师选择E类场地,得到场地影响系数Fa=0.9,Fv=3.23,换算出反应谱相应设计特征周期T0=0.121s,Ts=0.603s,T0、Ts分别为加速度反应谱中平台段起始和结束周期。
ASCE7采用最大考虑地震(maximum considered earthquake,简称MCE)的2/3作为设计地震作用,再除以R/Ie(R为反应谱修正系数,根据结构的延性性质来取值,对延性较差的结构取值较小,对延性较好的结构取值较大;Ie为结构重要性系数,项目可以取Ie=1,R=7)。
中国规范地震反应谱 | 美国规范地震反应谱 |
2、材料强度
混凝土轴心抗压强度平均值及弹性模量
强度等级 | f_(cu/MPa | E_c/Mpa | |
中国规范 | C60 | 50.1 | 3.60 x104 |
C50 | 42.9 | 3.45 x104 | |
C40 | 36.1 | 3.25 x104 | |
C30 | 28.0 | 3.00 x104 | |
美国规范 | 7000psi | 48.3 | 3.29 x104 |
6000psi | 41.1 | 3.04 x104 | |
5000psi | 34.5 | 2.78 x104 | |
4000psi | 27.6 | 2.49 x104 |
三、主要设计结果
主要构件尺寸
位置 | 楼层 | 外墙厚/mm | 内墙厚/mm | ||
模型C | 模型A | 模型C | 模型A | ||
核心筒 | L1~L8 | 400 | 406 | 300 | 305 |
L9~L16 | 350 | 305 | 250 | 305 | |
L17~L24 | 300 | 305 | 200 | 203 | |
位置 | 楼层 | 模型C | 模型A | ||
外框柱 截面/mm | L1 | 1200x1200 | 1020x1020 | ||
L2~L8 | 1100x1100 | 1020x1020 | |||
L9~L16 | 900x900 | 813x813 | |||
L17 | 700x700 | 813x813 | |||
L18~L24 | 700x700 | 610x610 | |||
框架梁 截面/mm | L1 | 600x1200 | 508x914 | ||
L2~L8 | 600x900 | 508x914 | |||
L9~L17 | 600x900 | 508x762 | |||
L18~L24 | 600x900 | 508x610 | |||
楼板 /mm | L1~L23 | 110 | 152 | ||
L24 | 120 | 203 |
主要构件材料
位置 | 模型C | 模型A | ||
楼层 | 材料 | 楼层 | 材料 | |
核心筒及连梁 | L1~L9 | C60 | L1~L8 | 7000psi |
L10~L17 | C50 | L9~L16 | 6000psi | |
L18~L24 | C40 | L17~L24 | 5000psi | |
外框架柱 | L1~L9 | C60 | L1~L9 | 7000psi |
L10~L17 | C50 | L10~L17 | 6000psi | |
L18~L24 | C40 | L18~L24 | 5000psi | |
楼板 | L1~L24 | C30 | L1~L24 | 4000psi |
主要设计结果
整体指标 | 模型C | 模型A | |
周期 | T1/s | 2.56 | 3.39 |
T2/s | 2.48 | 3.25 | |
T3/s | 2.27 | 2.89 | |
质量 | M/t | 57609 | 48095 |
S/m2 | 46464 | 46464 | |
M/S | 1.24 | 1.04 | |
最大 层间位移角 | X向 | 1/873(限值1/800) | 1/126(限值1/50) |
Y向 | 1/843(限值1/800) | 1/137(限值1/50) |
四、主要差异及原因分析
从设计结果看,构件尺寸差异不大,但结构振动特性以及位移存在较大差异。结构的振动特性取决于结构刚度与质量,但中、美规范在计算结构刚度和质量时采用的方法是不同的,这造成了振动特性的较大差别。
1、振动特性
在计算结构振动特性时,会用到结构的刚度与质量,但中美两国规范在计算结构刚度和质量时采用的方法是不同的,也就造成了振动特性的较大差别。
2、结构侧移
首先和前面计算振动特性时一样,计算结构侧移时,结构的刚度与质量取值是不同的。
其次,计算结构侧移所采用的地震作用也不相同。在美国规范中,虽然在做结构构件承载力设计时,地震作用采用了折减系数R=7,相当于构件设计所采用的地震作用是大震的2/3再除以7,比中国规范的地震作用小,但在计算结构侧移时,美国规范需要在承载力计算地震作用的基础上,再乘以调整系数Cd。根据本工程的结构类型查表可知Cd=5.5,所以其计算所对应的地震作用约为大震的0.52倍,与中国规范的中震水平基本相当。
来源:结构 微信公众号 钢结构设计