框架‐剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的探討

李 濤

(中國瑞林工程技術(shù)有限公司)

框架‐剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的探討

李 濤

(中國瑞林工程技術(shù)有限公司)

在高層建筑的各種結(jié)構(gòu)體系中，框架－剪力墻結(jié)構(gòu)是一種應(yīng)用范圍較為廣泛的、經(jīng)濟(jì)性較好的結(jié)構(gòu)體系。本文主要介紹了框架－剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和框架剪力墻抗震設(shè)計(jì)的要點(diǎn)進(jìn)行分析，并提出了框架－剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)化設(shè)計(jì)的有關(guān)措施。

框架－剪力墻結(jié)構(gòu)；抗震；優(yōu)化

一、框架－剪力墻結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和抗震分析

高層框架－剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻剛度往往比框架的剛度大得多，所以在框架－剪力墻結(jié)構(gòu)體系中，剪力墻剛度的大小在很大程度上決定了整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度。然而自從建筑抗震問題被提出來以后，工程界關(guān)于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)剪力墻所占比重對抗震性能優(yōu)劣的問題就存在著一些爭議。一般來說，多設(shè)剪力墻對抗震是有利的。但是，這不僅會增加經(jīng)濟(jì)成本，同時(shí)由于剛度過大，周期太短，地震反應(yīng)可能加大。而過少的設(shè)剪力墻，又不能滿足抗震設(shè)計(jì)的要求，尤其是結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)。從抗震的角度看，剪力墻數(shù)量以多為好；但從經(jīng)濟(jì)性來說，剪力墻則不宜過多。

綜合考慮，在獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，抗震墻的設(shè)置數(shù)量，應(yīng)符合下列原則：

（1）要盡可能突出框架－剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震特點(diǎn)，即保證抗震墻結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的地震傾覆力矩不少于總地震傾覆力矩值的50%。

（2）對于一般高層建筑而言，按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》地震力計(jì)算出的沿其結(jié)構(gòu)單元兩個(gè)主軸方向的結(jié)構(gòu)彈性階段層間側(cè)移角的最大值，要不大于1/800，并且還要保證符合《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中關(guān)于結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)風(fēng)振加速度限值的有關(guān)規(guī)定。

二、框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1、概念設(shè)計(jì)

框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)首先應(yīng)選擇合理的結(jié)構(gòu)形式并確定可靠的傳力途徑，整體結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)成為雙向抗側(cè)力體系，結(jié)構(gòu)平面形狀宜規(guī)則、對稱，結(jié)構(gòu)在主軸的兩個(gè)方向的動力特性應(yīng)接近，并應(yīng)盡量實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)質(zhì)心與重心重合，避免虛假對稱的結(jié)構(gòu)平面以及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)周邊的抗扭剛度并減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；抗震設(shè)計(jì)過程中結(jié)構(gòu)兩主軸方向均應(yīng)布置剪力墻且其間距不宜過大，若剪力墻體需開鑿較大洞口則應(yīng)適當(dāng)減小間距；對異型柱結(jié)構(gòu)中處于受力不利部位的異型柱可采用一般框架柱來改善結(jié)構(gòu)的整體受力性能。

2、提高剪力墻的抗震性能

可將剪力墻做成四周有梁柱的帶邊框墻，可利用邊框和暗框來防止斜裂縫的發(fā)展，并可在墻板破壞后作承重構(gòu)件來代替墻板承重并具有一定的延性，邊框應(yīng)具有足夠的斜截面受剪承載力來承擔(dān)因墻身通裂對邊框梁柱帶來的附加剪力；在肢墻設(shè)計(jì)時(shí)可設(shè)結(jié)構(gòu)洞口或結(jié)構(gòu)豎縫變?yōu)殡p肢墻或多肢墻，可將裂縫和屈服部位出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)豎縫或洞口連梁部位以形成能耗機(jī)構(gòu)，并可將原剪力墻一分為二，降低其剛度以免剪力破壞的發(fā)生；研究標(biāo)明當(dāng)連梁的跨高比為 5時(shí)其延性和能耗均優(yōu)于跨高比為1時(shí)，連梁兩端相對豎向位移的延性系數(shù)都在8以上，其滯回曲線也相當(dāng)飽滿，因此在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)對其組成和構(gòu)造采取一定措施。

3、提高框架的抗震性能

由于角柱是連接縱橫框架的樞紐，因此可通過增加角柱的措施來增加框架的空間整體性；在周圈框架平面應(yīng)按照K型支撐和X型支撐布置一定數(shù)量的鋼筋混凝土抗剪墻板或配筋砌塊抗剪墻板以克服框架的剪力滯后現(xiàn)象，并可提高框架的整體性；由于折曲撐由鋼纖維混凝土桿制造，偏心連接支撐可用鋼桿或勁性鋼筋混凝土桿組成，在地震發(fā)生時(shí)便可用該贅余桿件的先期屈服和變形來耗散能量，且當(dāng)贅余桿件破壞或退出工作后使結(jié)構(gòu)由一種穩(wěn)定體系過渡到另外一種穩(wěn)定體系，于是可引起結(jié)構(gòu)自振周期的改變，即可避免地震周期內(nèi)長時(shí)間持續(xù)作用所引起的共振效應(yīng)。

4、加強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)抗震性能

可通過實(shí)行機(jī)構(gòu)控制來實(shí)現(xiàn)總體屈服機(jī)制，在結(jié)構(gòu)的特定位置設(shè)置一定數(shù)量的人工塑性鉸，對塑性鉸發(fā)生的部位、順序及塑性程度進(jìn)行控制從而使得結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下能夠形成最佳的能耗機(jī)構(gòu)，其在水平作用下實(shí)現(xiàn)水平構(gòu)件先于豎向構(gòu)件屈服，最后是豎向構(gòu)件底部屈服；并使結(jié)構(gòu)的剛度和承載力相互匹配以及結(jié)構(gòu)的剛度和延性相互匹配。

5、剛度及承載力相互匹配

在框架剪力墻結(jié)構(gòu)中，若剪力墻數(shù)量多、厚度大，其剛度自然也大，但會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自振周期減小，總的水平地震作用增大，反之若剛度小則地震力也相應(yīng)變小，因此在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)根據(jù)建筑的重要性、裝修等級和抗震設(shè)防烈度等因素來綜合這一矛盾，最終確定結(jié)構(gòu)的側(cè)移限值，從而定出抗震墻的數(shù)量、厚度，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)既安全又經(jīng)濟(jì)。

6、扭轉(zhuǎn)計(jì)算和抗扭控制

在進(jìn)行扭轉(zhuǎn)計(jì)算和抗扭設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取小震計(jì)算控制和大中震抗震措施并重的原則，尤其對大中震時(shí)的抗扭構(gòu)造措施不能忽視，當(dāng)扭轉(zhuǎn)位移比超過1.35時(shí)，其雙向地震作用明顯，因此應(yīng)進(jìn)行雙向地震作用計(jì)算，并應(yīng)在結(jié)構(gòu)平面上大致劃分出受扭敏感區(qū)和質(zhì)心區(qū)，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)有效的抗扭計(jì)算控制，對受扭敏感區(qū)內(nèi)的豎向構(gòu)件在大中震下所產(chǎn)生的扭矩不可忽視，且其處于有扭矩作用的復(fù)雜受力狀態(tài)，其最終抗扭構(gòu)造除滿足規(guī)范要求外，應(yīng)按照強(qiáng)扭弱彎并采取增加抗扭構(gòu)造的措施。

三、框架－剪力墻結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化的計(jì)算工具

1、SATWE軟件的介紹

SATWE是中國建筑科學(xué)研究院 PKPM CAD工程部應(yīng)現(xiàn)代高層建筑發(fā)展的要求，專門為多、高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)而開發(fā)的基于殼元理論的三維組合結(jié)構(gòu)有限元分析軟件。其核心是解決剪力墻和樓板的模型化問題，盡可能地減小其模型化誤差，提高分析精度，使分析結(jié)果能夠更好地反映出高層結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力狀態(tài)。

2、SATWE軟件的優(yōu)點(diǎn)

（1）模型化誤差小、分析精度高；

（2）計(jì)算速度快；

（3）強(qiáng)大的后處理功能；

（4）可完成建筑結(jié)構(gòu)在恒、活、風(fēng)、地震力作用下的內(nèi)力分析及荷載效應(yīng)組合計(jì)算，對鋼筋砼結(jié)構(gòu)還可完成截面配筋計(jì)算；

（5）可進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)和地下室聯(lián)合工作分析，并進(jìn)行地下室設(shè)計(jì)。

（6）適用于高層和多層鋼筋砼框架、框架一剪力墻、剪力墻結(jié)構(gòu)，以及高層鋼結(jié)構(gòu)或鋼－砼混合結(jié)構(gòu)以及復(fù)雜體型的高層建筑、多塔、錯(cuò)層、轉(zhuǎn)換層及樓板局部開洞等特殊結(jié)構(gòu)型式。

四、實(shí)例分析

某框架－剪力墻結(jié)構(gòu)建筑總層數(shù)26層（地下2層），建筑高度71.95m，總建筑面積18574.6m2，標(biāo)準(zhǔn)層層高2.90m。依據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》，本建筑屬丙類建筑，所處地區(qū)抗震設(shè)防烈度為 7度，結(jié)構(gòu)抗震等級為二級，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)構(gòu)造措施按上述相應(yīng)的抗震等級采用。本工程的基本風(fēng)壓值為 0.4KN/m2，工程所在地屬Ⅱ類場地土。

在剪力墻結(jié)構(gòu)布置不變的情況下，主要選取對建筑物剛度影響最大的三個(gè)因素：開洞率a、墻率b、砼強(qiáng)度等級C的不同值得到計(jì)算模型，取值如表1：

表1 三個(gè)因素取值表

通過計(jì)算可知：（1）可以得出多高層框架－剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻的洞口率、墻率和混凝土強(qiáng)度等級是三個(gè)最突出影響的因素。（2）高層框架－剪力墻結(jié)構(gòu)的自振周期比和最大位移與剪力墻結(jié)構(gòu)的墻率、開洞率、混凝土強(qiáng)度等級有著一定關(guān)系。在這三個(gè)影響因素中，墻率對結(jié)構(gòu)剛度影響最為顯著，其次為開洞率，混凝土強(qiáng)度等級等級影響較小。因此，可以通過對剪力墻的合理布置以及對剪力墻截面尺寸的調(diào)整，控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)，來達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

五、結(jié)束語

框架－剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的是否合理，會對建筑物的安全使用和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的高低產(chǎn)生直接影響。框架－剪力墻結(jié)構(gòu)中，框架與剪力墻起到了很好的互補(bǔ)的作用，對于抗震要求較高的地區(qū)是一種非常合適的結(jié)構(gòu)形式。本文通過對框架－剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行分析，提出抗震優(yōu)化措施，希望對框架－剪力墻的抗震設(shè)計(jì)起到一定的借鑒意義。

TU7

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1007-6344（2015）09-0140-01