地裂场地对某宽扁梁式转换结构性能影响

韩珏，马倩倩

（1.商洛学院 城乡规划与建筑工程学院，陕西商洛 726000；2.长安大学 公路学院，陕西西安 710064）

地裂缝是西安地区一种比较严重的自然灾害。地裂缝引起的地基不均匀沉降对建筑结构的破坏较大。由于地裂缝活动对建筑物破坏的难以抵御性，地裂缝灾害防治主要以避让为主，其关键是合理避让距离的确定。陕西省建设厅发布了《西安地裂缝场地勘察与设计规程》[1]，即采用空间避让措施是合理选择安全避让距离来防止地裂缝对建筑结构的破坏。规程给出的避让距离的合理性尚存在争议，因此，对地裂缝的研究具有重要的现实意义。美国对地裂缝开展了大量研究[2-4]，主要在于地裂缝成因问题上。有三种不同的观点：构造成因观、地下水开采成因观、综合成因观。而地裂缝对结构的影响方面的研究成果较少，多采用避让的措施。国内一些学者研究了地裂缝对建筑结构影响。周洋洋[5]对地裂缝沉降进行了预测，得出沉降拟合曲线；刘博华[6]利用有限元软件对地裂场区内的纯框架结构和填充墙框架结构进行了弹性分析。万通[7]分析了地裂缝对上部建筑物的主要影响因素和应对地裂缝活动采取的主要技术措施。胡志军[8]研究了地裂场地对整体式双肢剪力墙结构内力变形影响。对于带宽扁梁转换高层建筑结构在地裂缝场地下的工作性能研究较少。鉴于此，基于一实际典型宽扁梁托柱转换结构工程实例，研究了不同避让距离下，结构的内力、变形性能。通过分析研究，为带宽扁梁式转换框架结构在地裂场地下安全避让距离的选取及结构设计提供建议。

1 工程概况及模型建立

本工程地处景区附近，为典型的景区房。下部商场，上部旅店。为了同时兼顾建筑功能、层高的需求。选择宽扁梁转换结构（利用宽扁梁代替传统的梁式转换梁）作为该工程的转换结构形式。工程位于临潼—长安断裂带西北侧（上盘）。规范规定最小避让距离为20 m[1]。

该建筑层数12层，框架结构（梁托柱），底部3层，层高4.5 m。转换层位于第3层。上部结构为框架结构9层，层高3.3 m。总高43.2 m，混凝土强度等级为C35。结构平面布置图如图1、图2。设计使用年限为50年，抗震设防烈度为8°，设计基本地震加速度0.2×9.8 m·s-2，场地类型Ⅱ类，设计地震分组为第一组。转换层楼板厚度150 mm，其余各层楼板厚120 mm。结构纵向受力钢筋均采用HRB400，箍筋采用HRB335。利用ETABS作为有限元分析软件。

模型建完后，分别以避让距离为5、8、11、14、17 m的情况对结构支座施加位移荷载。

图1 转换层下部结构布置图

图2 转换层上部结构布置图

2 基本假定

1）假定地裂缝方向与建筑物纵向平行。

2）假定地裂缝距离建筑物的距离大于20 m时，建筑物不发生不均匀沉降[9]。

3）沉降曲线选用周洋洋用灰色理论模型[5]拟合出的地裂沉降曲线，见图3。通过此沉降曲线，可以确定不同避让距离下框架柱的支座沉降位移（Z向、Y向），见表1。

表1 不同避让距离底层框架柱支座位移

4）采用传统固定支座模型法对支座施加位移荷载，考虑不均匀沉降影响。目前对于地裂缝不均匀沉降一般采用固定支座和弹性支座来模拟。虽然弹性支座模型能反映地基刚度对上部结构的影响，但其支座弹簧的刚度难以把握且计算复杂。固定支座模型简单易实施，且满足本文指定沉降值进行分析的要求。因此采用固定支座模型来模拟地裂场地上的不均匀沉降。

5）荷载组合为1.2重力荷载+1.3地震荷载+1.3不均匀沉降。

图3 f6地裂缝平面展图

3 位移分析

《高层建筑混凝土结构设计规程》3.7条对结构水平位移限值和舒适度进行了严格规定。同时指明了所给限值只使用于风荷载和多遇地震荷载标准值作用的情况。对不均匀沉降工况并没有给出明确规定。从舒适度角度考虑，近似采用风荷载及地震荷载工况下给定的层间位移角限值来衡量地裂不均匀沉降工况下的位移限值[5,10-12]。不同避让距离下结构层间位移角如图4。

图4 沉降预测

由图5可知，随着避让距离的增大，结构的层间位移角减小。结构最大层间位移角见表2，由表2可见，避让距离在14 m以外，结构侧移满足规范要求，11 m以内不满足规范要求。

表2 结构最大层间位移角

图5 不同避让距离下结构层间位移角

4 结构内力分析

4.1 底层及转换层柱轴力

选取一榀框架为代表，底层柱及转换层柱在不同避让距离下的轴力，见图6。

图6 柱轴力随避让距离对柱轴力的影响

从图6可以看出：在荷载组合作用下，随着避让距离的增大，左边柱和右边柱轴力值均为先变小后变大；避让距离为11 m时，轴力值最小。中柱的轴力变化规律同边柱正好相反即先变大后变小。避让距离为11 m时，轴力值最大。在同一避让距离下，中柱轴力>右边柱轴力>左边柱轴力。在避让距离变化时，中柱最容易发生破坏，设计时应加大中柱截面或者采取全长加密箍筋措施[13]。底层框架柱及转换层柱轴力的变化规律基本相同。

4.2 底层框架梁弯矩及剪力

同样以一榀框架为代表，底层框架梁内力随避让距离改变的变化曲线见图7、图8。

图7 避让距离对底层梁弯矩的影响

由图7可以看出，底层框架梁均在避让距离为11 m时弯矩值达到最大；梁的跨中截面弯矩受避让距离变化的影响不大。梁端截面弯矩受避让距离的影响较大。由图7（a）看出，随着避让距离的增大，左梁左截面弯矩由负值逐渐变为正值，左梁右端截面弯矩均为负值且先变大后变小；两端截面均在避让距离为11 m时达到最大弯矩。因此，在进行结构设计时应根据避让距离的不同在支座附近截面下部布置相应的纵筋来抵抗支座处的正弯矩。由图6（b）随着避让距离增大，右梁左截面弯矩由正弯矩变为负弯矩，同样在避让距离为11 m时达到最大负弯矩值。右梁右截面弯矩均为负值，弯矩值先增大后减小，避让距离为11 m时达到最值。由图7（a）看出，底层框架梁的截面剪力随避让距离的变化趋势基本一致；左梁剪力值均为先增大后减小，并于避让距离为11 m处达到极值。通过改变避让距离可以有效的减少截面箍筋及弯起钢筋的用量。

由图8（b）底层框架右梁中截面剪力值随避让距离变化可知，避让距离的变化会导致梁截面剪力方向变化。因此，在进行结构设计时，应该考虑在梁跨中截面设置反向弯起钢筋或者加配箍筋等措施来抵抗跨中截面反方向剪力。

图8 避让距离对底层梁剪力的影响

4.3 转换梁弯矩及剪力

转换梁内力随避让距离改变的变化曲线见图9、图10。

图9 避让距离对转换梁弯矩的影响

由图9、图10可知，转换梁的跨中截面弯矩受避让距离的变化影响不大。左转换梁和右转换梁的右、左截面都在避让距离为11 m附近发生突变并达到极值，并且该突变涉及到弯矩方向和数值大小两个方面的变化。分析引起突变的原因，一方面是由于基础不均匀沉降引起；另一方面，转换梁上部承托的框架柱对转换梁有较大的集中荷载作用。考虑到随着时间的增长、地裂缝的发展延伸以及理论与工程实践上的误差，在进行理论计算的时候不能准确的得到避让距离的精确值。因此，建议在对结构进行设计时应考虑到此种突变，设计时须对该部位进行保守配筋，截面上部及下部采用对称配筋的形式。对于转换梁与上部框架柱连接处应该采取加密箍筋的形式来防止该部位发生冲切破坏。左转换梁左截面弯矩随避让距离改变的变化规律与右转换梁右截面弯矩相同：均为先增大后减小，并在避让距离为7 m附近弯矩值由负值变为正值。在设计时应该采取对称配筋的形式。而建议对于考虑地基不均匀沉降的转换梁进行设计时，采取全长截面对称配筋的形式；箍筋采用全长加密布置。

由图10可知，左、右转换梁各截面剪力值均在避让距离为11 m时达到极值。左转换梁左截面、中截面以及右转换梁的中截面、右截面剪力随着避让距离的变化方向将会改变。考虑到此种因素影响。建议设计在截面上部、下部分别布置抗剪的弯起钢筋，同时加密箍筋配置。

图10 转换梁剪力随避让距离变化对转换梁剪力的影响

5 结论与建议

考虑到实际工程情况与理论研究的误差，理论设计时不可能精确的确定避让距离的数值。本文首次研究了宽扁梁托柱转换框架结构在不同地裂缝避让距离下的抗震性能。研究了地裂场地引起的基础不均匀沉降对此种结构关键构件的影响，对于此类结构避让距离的选取、结构构件的设计提出相应的建议。

1）避让距离为14 m以外，结构满足位移限值要求。

2）在重力荷载、地震荷载以及不均匀沉降荷载组合作用下，考虑转换结构的底层梁和柱以及转换层柱、转换梁为最不利构件，分析可知在避让距离变化时，中柱最容易发生破坏，建议设计时应加大中柱截面或者采取全长加密箍筋措施。

3）避让距离为11 m时，结构的内力值均达到极值。底层框架梁转换梁跨中弯矩及剪力值受避让距离变化的影响不大。底层框架梁及转换梁的梁端弯矩及剪力值在避让距离发生变化时，会发生数值突变及方向的改变。因此，在对考虑基础沉降的结构进行设计时，建议采取对称配筋的形式、在梁跨中截面设置反向弯起钢筋或者加配箍筋等措施来抵抗跨中截面反方向剪力。对于转换梁建议箍筋采用全长加密布置。