論框架—剪力墻結構的抗震設計

◎ 杭州恒元建筑設計院有限公司 胡志明

前言

框架—剪力墻結構由框架和剪力墻兩種不同的抗側力結構組成，由于剪力墻的抗側剛度比框架的抗側剛度大得多，故它們的協同作用既可以提供整體結構較大的抗側力，也利用了框架結構可以提供較大空間的優越性。因此這種結構體系整體性好、剛度大、側向變形小、抗震性能好，易于滿足高層結構中現行國家規范限定值要求，而得到廣泛應用。

1.鋼筋混凝土框架一剪力墻結構在水平地震作用下的內力和變形分析

目前在實際工程中，框架一剪力墻結構是一種廣泛應用的抗震結構體系。它兼顧了框架結構和剪力墻結構的優點，充分發揮了框架布置靈活，延性較好而剪力墻抗側力強的特點。根據多級設防原則的要求，在強震作用下，框架一剪力墻結構必然進入彈塑性階段，在這一階段，由于剛度退化在結構內部產生明顯的塑性內力重分布，結構的受力及變形與彈性階段有很大的區別。在框架一剪力墻結構中剛度特征值是一個與框架和剪力墻的剛度比有關的參數對框架一剪力墻結構的受力和變形特征有重大影響。震害分析與模型實驗均表明，剛度退化系數、層間位移轉角是兩個較好的性能參數，它們能夠較為理想地描述和評價框架一剪力墻結構的彈塑性性能。

2.框架一剪力墻結構的協同工作原理和側移曲線特點

框架一剪力墻雙重抗側力體系，是采用剪切型的框架和彎曲型的剪力墻兩種不同屬性構件所組成的結構體系。兩種構件通過各層樓板的聯系進行協同工作，這將顯著減小結構的頂點側移和下部各樓層的最大層間側移。單獨剪力墻相當于豎向懸臂梁，在側向力作用下的變形曲線為彎曲型。其特點是，越接近結構頂部，其水平位移增長越快，結構的上部層間位移大而下部層間位移較小。單獨框架的整體變形屬于剪切型變形，其形狀類似于豎向懸臂梁由剪切變形產生的變形曲線，其特點是，結構的上部層間位移小而下部的層間位移大，越接近結構頂部，其水平位移增長越來越慢。框架一剪力墻結構通過平面內剛度很大的樓屋蓋將框架和剪力墻結合在一起，使二者變形協調一致。因此，框架剪力墻結構變形曲線的特點應該是彎剪型變形，且在其變形曲線上存在有一反彎點，以反彎點為基準，下方側移曲線為彎曲型，上方側移曲線為剪切型，框架結構的底層層間位移(角)最大，剪力墻結構的頂層層間位移(角)最大。

框架一剪力墻結構側移曲線的形狀將隨體系中剪力墻和框架的相對數量和抗側移剛度比值而變化。剪力墻的數量很少時側移曲線就接近剪切型；剪力墻的數量很多時，側移曲線就向彎曲型靠近。框架和剪力墻之間產生相互作用力，上部為拉力，下部為壓力。框架一剪力墻體系的頂點側移主要取決于承擔絕大部分水平力的剪力墻的變形。所以，采用框架一剪力墻體系后，由于框架與剪力墻的協同工作，不僅減少了結構頂點位移，更重要的是減小與結構和非結構部件破壞程度密切相關的層間側移角。

3.框架一剪力墻結構抗震設計方法分析

3.1 框架一剪力墻結構基于性能的抗震設計

基于性能的抗震設計理論是基于“投資一效益”準則，以結構抗震性能分析為基礎，針對每一種設防標準，將結構的抗震性能劃分為不同的等級，根據業主的要求，采用合理的抗震性能目標和合理的結構措施進行設計。由此可見，基于性能的抗震設計理論與當前的抗震設計理論相比，具有強調設計的個性，有一定的自主選擇抗震設防目標的空間，有利于促進技術革新，改變傳統單一抗震設防目標的舊理念為多級設防的新理念，突出“投資一效益”準則相結合，優化結構設計方案、可靠地實現性能目標等顯著特點。結構性能設計理論包括地震設防水準、結構抗震性能目標、結構抗震設計與分析方法的三個主要方面。這一理論的出現必將改變傳統的設計方法。

傳統的抗震設計方法：底部剪力法、振型分解反應譜法，均以設計加速度反應譜為基礎，是當前最基本和最主要的抗震計算方法，兩者均屬于反應譜理論，是以承載力作為主要的控制參數。這種基于承載力的抗震設計方法的主要缺點在于難以準確描述結構在彈塑性階段的工作情況，對結構在地震作用下破壞程度的控制不夠，屬于“被動抗震設計”；延性設計法、基于能量平衡極限設計法、基于損傷的設計方法均考慮了非彈性性能對結構抗震能力的貢獻，它們分別以延性、能量、和反映結構損傷程度的某種指標作為設計控制參數，這三種方法最主要的缺點在于在實際設計中設計參數不易被工程人員掌握，難以實現設計者的思想；理論研究和實驗證明，在對結構的抗震性能進行評估的過程中，采用變形指標可以較好地體現結構構件的損傷程度，也可以控制非結構構件的性能水平。同時歷次震害表明，結構破壞、倒塌的主要原因是變形過大，超過了結構構件能承受的塑性變形能力。通過對比分析、理論論證，指出基于變形的抗震設計是目前實現性能抗震設計的有效途徑。

3.2 框架一剪力墻結構基于位移的抗震設計

基于位移的抗震設計即根據鋼筋混凝土框架-剪力墻結構的特點，將其性能劃分為使用良好、保證人身安全和防止倒塌三個水平，并用層間位移角限值予以量化。以作用倒三角形水平分布荷載的等截面彎剪懸臂桿的側移曲線作為其初始側移模式。對于使用良好性能水平，將側移曲線上反彎點對應的樓層處的層間位移角剛好達到相應限值時的側移曲線作為目標側移曲線，據此計算等效單自由度體系的等效參數以及原結構的基底剪力和各質點的水平地震作用。對于保證人身安全和防止倒塌的性能水平，根據Pushover曲線與需求曲線的關系對結構予以調整，使結構滿足這兩個性能水平的要求。

本例結構為一幢十層鋼筋混凝土框架一剪力墻結構，抗震設防烈度為8度，Ⅱ類場地，設計地震分組為第一組，Ts=0.355。首層層高4.8m，2層4.0m，3-10層均為3.6m，梁、墻、板、柱混凝土均為現澆。混凝土強度等級：梁、柱、墻在1-3層為C35，4-6層為C30，7-10層為C20，縱向鋼筋采用HRB335鋼，箍筋采用HPB235鋼。

框架一剪力墻結構在不同極限狀態達到臨界層間側移角限值的樓層位置有移動的趨勢，這也說明了彈性層間側移角限值首先發生的樓層并不一定是結構最終破壞產生的地方，其原因是在中震和大震作用下框架一剪力墻結構發生了較大的內力重分布；按側移相等的原則將框架一剪力墻結構中的剪力墻等效成梁柱，進而將框架一剪力墻結構轉化為空間框架結構的方法具有一定的合理性。

4.小結

本文在已有框架一剪力墻結構抗震性能研究的基礎上，針對現行框架-剪力墻結構抗震設計方法進行了一些總結和探索，基于性能、位移的抗震設計理論和方法是各國地震工程專家近年來廣泛討論的課題，希望廣泛應用與結構抗震設計中去。

圖1 結構空間計算模型

圖2 推覆曲線

圖3 常遇烈度地震層間側移角曲線對比