高烈度地區框架剪力墻結構抗震性能分析

摘要：文章分析了框架剪力墻結構抗震的特點，探討了框架剪力墻結構抗震性能，提出了框架剪力墻結構抗震優化設計措施，以供參考。

關鍵詞：高烈度地區;框架剪力墻結構;抗震性能

引言

地震時地面運動是多分量的，即兩個水平分量和一個豎向分量，一般認為豎向加速度分量為水平加速度分量的60%-70%，豎向地震作用對建筑物的破壞不及水平地震。但地震災害表明，豎向地震作用對建筑物的影響十分明顯，豎向加速度有可能達到甚至超過水平加速度紀錄值。特別是在高烈度地區震動豎向加速度分量對建筑物的破壞狀態和破壞過程的影響不容忽視。下面將對高烈度地區框架剪力墻結構抗震性能進行分析。

1框架剪力墻結構的特點

框剪結構是由框架結構和剪力墻結構兩種不同的受力形式組合而成。在建筑物受到水平力作用時，其形成的曲線為彎曲形，建筑物類似于豎向懸臂結構，水平受力越大，建筑物頂點位移就相應地越大。頂點水平位移與高度有一定的關系：

當所受力為均布荷載時：U=qH4/8EI

當所受力為倒三角時：U=11Hmax/120EI

如果要使框剪結構有更好的受力作用，那么剪力墻的布置是否合理就顯得尤為重要。對于較長的剪力墻應該設置多肢墻，并且框架所能承受的極限力矩應該在總結構承受的地震極限力矩的30%～50%。框剪結構，既有框架又有剪力墻，它們與樓板有效地結合在一起，因此它們的受力變形是一致的，在水平力作用下，它們不能脫離整體而獨自擺動，而是協調一致地運動。結構受力后的結構非線性曲線與線性曲線受到地震等級的影響，當地震等級較高時，結構非線性曲線與彈性曲線偏離較大，特別是結構上段部分受此影響更加明顯。

框架剪力墻結構特點表現如下幾點：（1）在荷載承擔上，框架和剪力墻共同承受結構的豎向荷載，而水平荷載主要由抗側力大的剪力墻結構來承受。（2）在受力上，框架剪力墻結構中，剪力墻承擔主要的水平剪力，框架柱承擔剪力減小，彎矩也相應減小，從而優化柱截面尺寸和配筋，使柱的受力狀況和內力分布得到很大改善。（3）在變形上，剪力墻相當于豎向懸臂結構，隨高度的增加位移增大，變形主要是彎曲型，而框架相當于懸臂剪切梁，隨高度增加位移增加緩慢，變形主要為剪切型。將框架與剪力墻通過剛度無限大剛性樓板連接，剪力墻與框架的變形相互約束，其變形曲線成為彎剪型，從而使各層的變形位移趨于均勻。（4）框架剪力墻結構是由很好的耗能性能的連梁、較大抗側力的剪力墻和柔性好的框架結構組合而成，對結構的抗震增添了幾道防線的作用。大量的研究表明框架剪力墻具有很好的抗震效果。（5）框架剪力墻結構在水平力作用下的位移有層間位移角控制一般最大位移發生在"0.4～0.8"樓層間。

1.2框架剪力墻結構設計問題

在地震作用的持續時間內，由于塑性鉸的出現，構件之間的剛度在不斷地發生變化，也就是說，在不斷地進行內力重分布，框架-剪力墻結構二道防線的核心概念是框架和剪力墻兩種結構體系之間相對剛度發生變化后引起的內力重分布。其目的是推遲框架構件塑性鉸的出現，避免過大的塑性變形。按當代抗震理論、設計方法及采用設計軟件，與所有的內力重分布相同，可在常規設計中通過調整系數，適當增強框架的承載能力或在前述的最小地震作用下對框架進行單獨分析，使框架具有足夠的強度，在大震非線性分析中，實現預期的性能目標。顯然，二道防線的概念就得到了貫徹。因此，高規要求對周邊框架進行剛度控制必要性的依據并不充分。

2高烈度地區框架剪力墻結構抗震性能

2.1框架—剪力墻結構的協同工作原理

由框架剪力墻的特點可以看出，在水平荷載作用下，框架與剪力墻共同承擔力且承擔大小由相互間的剛度來確定，但不是簡單的線性分配。既不能按照等效剛度eqEI來分配，也不可以按照側移剛度D分配，他們之間的協同工作關系確定的抗側剛度需要另外計算。在變形上，框—剪結構呈現反S"型的剪切型曲線。在結構上部與下部剪力墻與框架的變形不一致，在結構下部，變形較小的剪力墻約束變形較大的框架變形;相反，在結構的上部，剪力墻的變形較框架大，因此，框架對剪力墻也提供相反的拉力，是剪力墻的變形減小。所以，框架剪力墻結構的兩種體系的組合，相互間的協同工作，使得它比純框架與純剪力墻變形都小。

2.2鋼框架_組合剪力墻結構抗震的局限性

鋼框架與組合墻結構是一種雙重抗側力結構，鋼框架作為邊緣構件承擔全部的豎向荷載和一小部分水平荷載，組合墻承擔絕大部分的水平荷載。在地震作用下，組合墻率先發揮抗側作用，依靠混凝土蓋板強大的面外剛度抑制鋼板墻的屈曲變形，使結構不僅具有較大的側向剛度，又能充分發揮鋼板的延性與耗能能力;在承載后期，組合墻剛度降低，產生破壞，耗能能力衰退，此時鋼框架又成為主要的抗側構件，依靠節點的轉動繼續抵抗地震作用，從而達到雙重抗側的效果。

2.3帶轉換層的框支剪力墻結構抗震性分析

帶轉換層的框支剪力墻結構由于轉換梁上面存在大量質量，而下面是空曠樓層在地震作用沖擊下，常因底層框架剛度太弱、側移過大、延伸性差以及強度不足而引起破壞，甚至導致整棟建筑物的倒塌。尤其是當轉換層位置較高時，結構在轉換層附近的剛度、內力發生突變從而形成一些薄弱部位對結構抗震十分不利。

3高烈度地區框架剪力墻結構

為提高框架—剪力墻結構的抗震效果，就要從剪力墻和框架受力原理著手，關鍵是合理布置剪力墻。框架布置按照純框架結構布置原則，遵循簡單規則，柱距大小盡量一致。

3.1剪力墻布置的數量

框架—剪力墻結構中剪力墻承擔了整個結構的近"80%的剪力。所以，剪力墻的數量對框—剪體系的抗震性能尤為重要，有許多學者曾經研究剪力墻合理的布置數量，一般都以框架與剪力墻的側向剛度著手，從剪力墻的底層承擔的剪力和頂層的位移來估算框—剪體系的剪力墻數量。也有由框架與剪力墻協同變形原理著手，這種體系的最大變形出現在樓層的"1/3～2/3高度處，由此處樓層的框架抗側剛度作為綜合抗側剛度參與整體協同計算，再由得出的變形條件反算剪力墻數量。

3.2剪力墻布置的位置

剪力墻布置的位置值得大家探討，位置的不同，對整體結構的抗震效果明顯不同。尤其對于不規則結構的抗震，控制結構的扭轉成為抗震的關鍵，然而剪力墻對結構的抗扭影響很大。在以上已經分析的結果顯示，在結構兩主軸方向上剪力墻布置要均勻，以免引起兩主軸方向的抗側剛度不均勻導致結構一側太薄弱，位移增大，進而扭轉也會增大。在一般不規則結構中，比如說局部凹凸，這些部位往往成為整個結構薄弱部位，在不影響正常使用功能下，往往通過增加剪力墻來加強這些部位。其次在樓梯、電梯等承受的荷載和剪力比較大的部位也需要加強。除此之外，剪力墻集中布置結構中部還是均勻分散布置在周圍。下面是兩種剪力墻布置方式，數量相同的剪力墻分別布置在結構的中間部位和周邊，分析的結果如下：

4結語

框剪結構構件的尺寸優化雖然比較重要，但是總體結構的概念設計和整體優化更加重要，它是結構優化的重要組成部分。在對框剪結構進行設計時，要盡量遵循剪力墻布置對稱，受力均勻分散等原則要求，以保證框剪結構在抗震方面能夠充分發揮作用。

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