优化案例分析之二

【摘要】：从《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第3.5.5条分析及根据简单计算推理，小裙房不需要将底部加强部位提高到裙房上一层。

【关键词】：裙房，底部加强部位，楼层收进，塑性铰

我司最近优化了一个住宅小区项目。其中主楼为18+2F，就是地上18层住宅，地下室二层储藏室。主楼地上在西侧有个小裙房，见下图一。

为了这个小裙房，结构设计将高层建筑的底部加强部分做到了标高17.380米，就是到主楼地上第六层楼面。设计的依据是《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）第6.1.10条的条文说明，见下图二。

    这个“也可以”就增加了主楼底部加强部位的高度14.48-5.78=8.7米。

从图一可知所谓的裙房对应《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第3.5.5条图3.5.5（a）H₁=11.7+0.2=11.9米，H=56.65+0.2=56.85米，H₁/H=11.9/56.85=0.21＞0.2。B₁=33.1米，B=41.1米，B₁/B=0.81=81%＞75%。就是说这个裙房其实相当于《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第3.5.5条的上部楼层收进。而且由于收进的尺寸较小，还是属于竖向规则的。就是说这个带裙房的主楼由于裙房较高，且裙房宽出才8米不大，实际上属于高层建筑的上部楼层收进。不需要将底部加强部位提高到裙房上一层。也不需要按《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第10.6.3条对与裙房相连的外围柱、剪力墙从固定端至裙房屋面上一层的高度范围内进行加强。因为只有超出了《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第3.5.5条要求的才需要加强。

剪力墙的底部加强部位是在高层钢筋混凝土建筑抗震设计中经常提到的。为什么要进行底部加强呢？这要从剪力墙结构的抗震设计说起。在水平地震作用下，剪力墙结构的弯矩图和剪力图大体上是下面这个样子的：

从上图可以看出，剪力墙结构的最大弯矩和最大剪力都出现在结构的底部，也就是剪力墙与基础的嵌固位置。所以对于剪力墙来说，其底部的部分是非常重要的，从理论上讲，在遭遇罕遇地震时，底部也是最先破坏。但是剪力墙的底部既受弯，又受剪。那么在发生罕遇地震的时候，到底是发生剪切破坏，还是发生弯曲破坏呢？

当然是要控制剪力墙结构使其发生弯曲破坏。因为剪切破坏是脆性破坏，一旦发生，整个结构瞬间被摧毁；但弯曲破坏是延性破坏，破坏过程持续时间较长，整个破坏过程有较大的塑性变形，在塑性变形的过程中仍然有一定的承载力，可以给人员提供充足的反应时间和逃生时间，并且可以良好的吸收和耗散地震能量。所以我国的抗震设计中引入了塑性铰的概念。

对于一般的结构铰，在结构力学中是不承受弯矩的，也不传递弯矩，比如受到均布荷载作用的简支梁，在铰支座的位置弯矩为零。

在结构铰的位置，构件是可以自由转动的。并且在顺时针和逆时针方向都可以转动。塑性铰就不同了。在结构的某一截面达到极限弯矩时，这个截面的位置就出现了塑性铰。此时在这个截面的位置可以产生弯矩方向的转动，这一点和结构铰相似的；但是与普通的结构铰不同的是，在塑性铰出现并持续的过程中，依然可以承受并传递一定的弯矩，直到结构破坏，塑性铰自然消失。同样，当截面上的弯矩小于塑性极限弯矩时，截面位置就无法转动，塑性铰同样会消失。所以塑性铰是结构构件延性破坏中出现的一种机制，它的产生、持续和消失对应着延性破坏的全过程。我们再回到剪力墙结构上来。上面说到钢筋混凝士剪力墙结构遭遇罕遇地震时，应控制底部使其发生延性破坏。这时其底部就出现了塑性铰。如下图所示:

所以塑性铰和剪力墙底部位置的延性是密不可分的。而要保证塑性铰出现后，剪力墙底部位置具有足够的延性，就要确保在此过程中不发生脆性的剪切破坏。所以就要对剪力墙底部位置进行加强，提高其抗剪切破坏的能力。这也是我国抗震设计思想中非常重要的一个方面--“强剪弱弯”的具体体现。

剪力墙底部加强部位的具体规定在行业标准《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)中对剪力墙底部加强部位是这样规定的:

抗震设计时，为保证剪力墙底部出现塑性铰后具有足够大的延性，应对可能出现塑性铰的部位加强抗震措施，包括提高其抗剪切破坏的能力，设置约束边缘构件等，该加强部位称为“底部加强部位”。剪力墙底部塑性铰出现都有一定范围，一般情况下单个塑性铰发展高度约为墙肢截面高度hw，但是为安全起见，设计时加强部位范围应适当扩大。

下面简单分析一下“塑性铰”不会在出裙房屋面处出现。假定地震作用沿高度等值q_e，实际下部重力荷载大，q_e要大些。地震倾覆力矩或简称为地震弯矩M。裙房屋面处为

嵌固端处倍。由于裙房处才一个柱网框架增加抗弯刚度有限，而主楼处为剪力墙结构，其刚度比框架大得多。所以嵌固端处的抗弯刚度D₂不会超过裙房屋面处的抗弯刚度D₁的1.6倍。就是说塑性铰必定在嵌固端处出现，而不会在裙房屋顶处出现。所以剪力墙的底部加强部位不需要延伸到裙房屋面以上一层的标高处，来防止剪切破坏先于弯曲破坏。