多層框架結(jié)構(gòu)布置少量剪力墻的設(shè)計(jì)

薛鳳飛

摘 要：因純框架體系無(wú)法滿(mǎn)足彈性層間位移角的要求，需布置極少量的剪力墻，體系為比較特殊的框架結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)時(shí)需要從結(jié)構(gòu)抗震概念出發(fā)，理解規(guī)范隱含的要義，加強(qiáng)計(jì)算手段，注重細(xì)節(jié)處理，從而能夠達(dá)到安全、合理的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：框架結(jié)構(gòu)；少量剪力墻；彈性層間位移角

引 言

對(duì)于少數(shù)體型相對(duì)特殊的框架結(jié)構(gòu)，經(jīng)試算不能滿(mǎn)足構(gòu)彈性層間位移角的要求，通過(guò)調(diào)整梁柱截面或構(gòu)件布置也不易實(shí)現(xiàn)對(duì)體系位移的改善。在合適的部位設(shè)置極少量的剪力墻，則比較容易實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)位移的控制目標(biāo)。但鑒于如此設(shè)計(jì)所形成的特殊的結(jié)構(gòu)形式，現(xiàn)行規(guī)范沒(méi)有明確的系統(tǒng)的論述，故需要謹(jǐn)慎、細(xì)心的進(jìn)行。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

揚(yáng)州市體育運(yùn)動(dòng)學(xué)校位于揚(yáng)州市西區(qū)（抗震設(shè)防類(lèi)別為乙類(lèi)，抗震設(shè)防烈度為7度，基0.15g，第一組，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)），其中D區(qū)中長(zhǎng)跑基地建筑面積6400m2，六層框架結(jié)構(gòu)，總高度23.50m。建筑平面呈兩塊矩形45°斜交，經(jīng)設(shè)縫將結(jié)構(gòu)劃分為2個(gè)結(jié)構(gòu)單元，其中右邊單元為“入”字形平面的結(jié)構(gòu)單元，即本文所論及的部分。

1.2 初步方案

1.2.1 純框架計(jì)算

按純框架體系建模計(jì)算，判別計(jì)算結(jié)果：

（1）周期指標(biāo)滿(mǎn)足；

（2）位移指標(biāo)不滿(mǎn)足。Max-Dx/h=1/742，Ratio-（X）=1.29；Max-Dy/h=1/519，Ratio-（Y）=1.43；

（3）相鄰層側(cè)移剛度比值、樓層抗剪承載力比值等符合要求；

（4）規(guī)范的其他構(gòu)造要求也能滿(mǎn)足，構(gòu)件配筋正常。

1.2.2 解決方向

查閱詳細(xì)的位移輸出文件，發(fā)現(xiàn)位移不滿(mǎn)足的節(jié)點(diǎn)集中在結(jié)構(gòu)單元端部，端部的抗側(cè)移剛度偏小。為此需加強(qiáng)此部位的結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，減小端部位移。

1.2.3 方法選擇

首先調(diào)整柱、梁截面，效果并不明顯，這是由于建筑平面本身的特性造成的，需要對(duì)端部的Y向剛度做大幅增加才能解決問(wèn)題。在這個(gè)位置有電梯，可在Y方向布置少量剪力墻，如圖1、圖2所示。

1.3 分析論證

1.3.1 概念分析

從抗震規(guī)范的設(shè)防思想-“三水準(zhǔn)的設(shè)防目標(biāo)”和為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)而采取的“兩階段設(shè)計(jì)步驟”進(jìn)行分析：

（1）對(duì)應(yīng)三個(gè)水準(zhǔn)即小震不壞、中震可修、大震不倒，明確本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要滿(mǎn)足的建筑性能要求；

（2）對(duì)應(yīng)兩個(gè)設(shè)計(jì)階段即絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件承載力驗(yàn)算和結(jié)構(gòu)彈性變形驗(yàn)算，對(duì)一些規(guī)范要求的特定的結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震下的彈塑性變形驗(yàn)算。本工程視為比較特殊的結(jié)構(gòu)，除進(jìn)行第一階段的設(shè)計(jì)外，也必須進(jìn)行第二階段的設(shè)計(jì)，這樣才能達(dá)到三水準(zhǔn)的設(shè)防目標(biāo)。

1.3.2 文獻(xiàn)分析

（1）《抗規(guī)》

6.1.3.1條：設(shè)置少量抗震墻的框架……抗震等級(jí)按框架結(jié)構(gòu)確定。本工程布置剪力墻后1～3層柱傾覆彎矩百分比為X向：95%，96%，97%；Y向：76%，81%，85%。X向框架處于絕對(duì)主導(dǎo)地位，Y向剪力墻的重要性有所增加，但其傾覆彎矩百分比<25%，仍然處于次要地位，據(jù)此可以確定框架部分的抗震等級(jí)。

6.1.4.2條：框架結(jié)構(gòu)可在抗震縫兩側(cè)……按不利情況取值。本工程設(shè)置在端部?jī)傻兰袅Γc規(guī)范設(shè)置“抗撞墻”的概念相當(dāng)，布置少量剪力墻僅為減小位移，設(shè)計(jì)時(shí)按純框架與有墻框架的不利情況包絡(luò)設(shè)計(jì)。

（2）朱炳寅《配置少量剪力墻的框架結(jié)構(gòu)》

文章對(duì)此類(lèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)問(wèn)題的表述值得借鑒，主要提出了規(guī)范未明確的問(wèn)題及相關(guān)的設(shè)計(jì)建議，經(jīng)歸納主要有以下3條：

①對(duì)布置少量剪力墻的框架結(jié)構(gòu)的定量把握

布置少量剪力墻的框架結(jié)構(gòu)與剪力墻較少的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)在定量上無(wú)明確的界限，對(duì)結(jié)構(gòu)體系的定性把握的搖擺性加大了對(duì)結(jié)構(gòu)體系描述的隨意性。其后給出了對(duì)少量剪力墻的定量把握原則：當(dāng)框架的傾覆力矩不小于結(jié)構(gòu)底部?jī)A覆力矩的75%時(shí)，可將其確定為配置少量剪力墻的框架結(jié)構(gòu)。

②適用高度規(guī)范未予以明確。文章建議對(duì)布置少量剪力墻的框架結(jié)構(gòu)的最大適用高度可比框架結(jié)構(gòu)的最大適用高度適當(dāng)提高，提高幅度不超過(guò)20%。（筆者認(rèn)為對(duì)此可偏安全執(zhí)行框架結(jié)構(gòu)相應(yīng)的適用高度）

③規(guī)范規(guī)定了考慮剪力墻與框架的協(xié)同工作原則，但未明確對(duì)剪力墻和框架的具體設(shè)計(jì)方法。

筆者從抗震設(shè)防思想的兩階段設(shè)計(jì)步驟角度出發(fā)認(rèn)為：設(shè)置剪力墻的根本目的是控制框架結(jié)構(gòu)的彈性位移值，即多遇地震作用下需計(jì)算剪力墻與柱協(xié)同工作時(shí)的承載力驗(yàn)算和結(jié)構(gòu)彈性變形驗(yàn)算；而在罕遇地震下應(yīng)允許剪力墻開(kāi)裂、剛度退化，可按剪力墻完全退出工作的最不利的情況進(jìn)行彈塑性變形驗(yàn)算。按照這樣的理念進(jìn)行計(jì)算，剪力墻為構(gòu)造配筋，抗震等級(jí)可比框架結(jié)構(gòu)低一等級(jí)。

1.4 設(shè)計(jì)過(guò)程

經(jīng)過(guò)以上的分析論證，對(duì)本工程的設(shè)計(jì)目標(biāo)與設(shè)計(jì)手段有了明確的認(rèn)識(shí)。在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，按照下述的步驟與方法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)：

（1）確定標(biāo)準(zhǔn)：明確本工程為框架結(jié)構(gòu)體系，設(shè)置少量剪力墻僅為改善體系在多遇地震作用下的抗側(cè)移性能，框架的抗震等級(jí)按《抗規(guī)》中框架結(jié)構(gòu)確定為二級(jí)，少量剪力墻的抗震等級(jí)為三級(jí)。

（2）計(jì)算方法：

①對(duì)框架部分：在彈性變形階段，不計(jì)入剪力墻按純框架結(jié)構(gòu)和計(jì)入剪力墻按框架-剪力墻結(jié)構(gòu)分別計(jì)算，包絡(luò)設(shè)計(jì)；在彈塑性變形階段，考慮剪力墻完全退出工作的最不利情況進(jìn)行變形驗(yàn)算；

②對(duì)少量剪力墻：在彈性變形階段，按剪力墻與框架協(xié)同工作計(jì)算；在彈塑性變形階段，剪力墻開(kāi)裂退出整體工作。

（3）細(xì)部處理：

①與剪力墻相連的柱及結(jié)構(gòu)單元的邊柱按設(shè)置“抗撞墻”的要求箍筋全高加密；

②少量剪力墻的構(gòu)造按框剪結(jié)構(gòu)中剪力墻部分的要求執(zhí)行；

③在滿(mǎn)足彈性階段受力的前提下，盡可能弱化剪力墻，以期實(shí)現(xiàn)彈塑性變形階段剪力墻退出工作，與之對(duì)應(yīng)將布置剪力墻區(qū)域的框架部分可適度加強(qiáng)。

（4）設(shè)計(jì)結(jié)果：多遇地震作用下框架、剪力墻協(xié)同工作時(shí)Max-Dy/h提高至1/796，Ratio-（Y）為1.27，很好的改善了體系的抗側(cè)移性能；罕遇地震作用下純框架的彈塑性層間位移角X向?yàn)?/82，Y向?yàn)?/77，均能滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2 結(jié)論與建議

2.1 綜合結(jié)論

從抗震概念出發(fā)確定“配置少量剪力墻的框架結(jié)構(gòu)”的設(shè)計(jì)性能目標(biāo)，從現(xiàn)有規(guī)范的條文充分理解其內(nèi)含的要義，明確設(shè)計(jì)原則，加強(qiáng)計(jì)算手段，注重細(xì)節(jié)處理，需要多方面分析論證，才能夠保證結(jié)構(gòu)的安全性。

2.2 筆者建議

對(duì)于此類(lèi)規(guī)范沒(méi)有明確的系統(tǒng)性規(guī)定的特殊結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)原則及具體設(shè)計(jì)中存在不確定因素，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工圖審查帶來(lái)相當(dāng)?shù)睦щy，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免采用，盡可能采用概念清晰、便于操作且抗震性能較好的結(jié)構(gòu)體系。

參考文獻(xiàn)

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[3]《建筑抗震設(shè)計(jì)手冊(cè)（第二版）》建筑工業(yè)出版社.

[4]朱炳寅.《配置少量剪力墻的框架結(jié)構(gòu)》建筑結(jié)構(gòu)-技術(shù)通訊2007.5.