框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的問題探析

張興

摘要：伴隨著人類社會的幾何式發(fā)展，建筑的高度越來越高。高層建筑與其他建筑最大的不同就在于垂直面荷載密集，并由于建筑物豎向不穩(wěn)定性，導(dǎo)致受風(fēng)荷載與地震荷載的影響十分巨大，這無疑對建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)提出了更高的要求。筆者結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)，介紹了框架剪力墻的結(jié)構(gòu)的受力與變形，剪力墻抗側(cè)移剛度以及數(shù)量的改進(jìn)，以及框剪結(jié)構(gòu)的連梁的設(shè)計(jì)問題，從結(jié)構(gòu)的剛度、穩(wěn)定性等進(jìn)行了分析和探討，希望通過文中內(nèi)容能夠給框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)帶來一定的啟示作用，也為有效提高建筑工程質(zhì)量提供理論參考。

關(guān)鍵詞：框架剪力墻；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；抗震

1.引言

隨著社會的進(jìn)步與發(fā)展，建筑行業(yè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，框架剪力墻結(jié)構(gòu)得到了廣泛的應(yīng)用?？蚣芙Y(jié)構(gòu)布置可以更加靈活，可用空間更大等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)伴隨著許多結(jié)構(gòu)形式的缺點(diǎn)，例如底部水平層間位移大，側(cè)向剛度差等缺點(diǎn)。剪力墻結(jié)構(gòu)布置靈活性受到限制，卻有較大的側(cè)向剛度和強(qiáng)度。對于一些高層來說，如果使用框架結(jié)構(gòu)，勢必需要加大梁與柱子的橫截面積，不僅造成了材料上的浪費(fèi)，而且減少了房屋的可用空間，但如果在框架的基礎(chǔ)上增設(shè)剪力墻，結(jié)構(gòu)不僅可以增強(qiáng)側(cè)向抗震作用，而且一定程度上可以增加可用空間。這就使得框架剪力墻結(jié)構(gòu)得到了更廣泛的使用。

2.框架剪力墻的結(jié)構(gòu)分析

2.1框架剪力墻結(jié)構(gòu)的受力與變形

框架剪力墻結(jié)構(gòu)是由兩種不同的側(cè)向受力結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的。剪力墻結(jié)構(gòu)如同豎向的懸臂梁，其受力形式和變形曲線與橫向懸臂梁類似，和橫向懸臂梁一樣，梁的長度越長，受力后其邊緣的位移增長速率越大?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的受力形式如同受剪切力的懸臂梁，梁的長度越長，受力后其邊緣的位移增長速率越小。由于剪力墻的側(cè)移剛度大于框架，因此剪力墻所承受的側(cè)向力要大于框架的側(cè)向受力，同時(shí)隨著高度的不同框剪結(jié)構(gòu)的水平受力也不斷的在調(diào)整?？蚣芗袅Y(jié)構(gòu)承受水平力的主要部位在中上部，因此在做框架剪力墻設(shè)計(jì)時(shí)要考慮協(xié)同工作的問題，不能按照純框架的結(jié)構(gòu)形式來計(jì)算，否則會造成結(jié)構(gòu)中上部安全性能低等缺點(diǎn)。

2.2荷載傾斜與偏心的影響

我們知道在使用理論公式對地基承載力進(jìn)行求解時(shí)，我們都是按照建筑軸心受荷考而慮問題的，可見荷載傾斜與偏心對地基強(qiáng)度也是有影響的。所以說，荷載傾斜與偏心不但是影響地基強(qiáng)度的一個(gè)因素，還是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)內(nèi)容。一般來說，鋼筋混凝土樓板和屋蓋的整體性能好，在適當(dāng)位置布設(shè)構(gòu)造柱，并配置相應(yīng)的構(gòu)造鋼筋，不但能夠消除滑移、偏心等問題，還能加強(qiáng)樓板的剛度值、適當(dāng)放寬對建筑的平面要求，對于建筑的層間變形，也非常容易控制。建筑物作為許多細(xì)節(jié)構(gòu)件連接而成的整體，是一個(gè)具備空間剛度的結(jié)構(gòu)體系，其能否承受驚人的荷載力量，全看各構(gòu)件間能不能實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)工作、有機(jī)地形成一個(gè)整體，換言之就是建筑各個(gè)構(gòu)建是否形成了軸心體。

2.3框架剪力墻的抗震性能

根據(jù)我國抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的要求“小震不壞，中震可修，大震不倒”的基本原則，當(dāng)遭遇小震破壞時(shí)房屋應(yīng)該處于正常使用狀態(tài)，可以進(jìn)行彈性反應(yīng)譜進(jìn)行彈性研究；當(dāng)房屋處于中震破壞時(shí)，也就是房屋可修的情況，此時(shí)的狀態(tài)為非彈性狀態(tài)，可以通過構(gòu)造要求來進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全的滿足；當(dāng)房屋處于大震破壞時(shí)，由于房屋處于較大的非彈性破壞，因此要保證房屋不能倒塌。

3.剪力墻結(jié)構(gòu)形式以及抗側(cè)移剛度的改進(jìn)

地震作用是房屋破壞的主要原因之一，對于一些高層建筑來說就不得不考慮用剪力墻結(jié)構(gòu)。因此需要設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)出剪力墻的合理數(shù)量。剪力墻數(shù)量過多固然結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度越大，抗地震作用也就相對的較強(qiáng)一些。但是，當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度過大時(shí)，由于周期過短，地震作用反而有可能會更加強(qiáng)烈，而且浪費(fèi)了一定的材料。因此只從抗震方面來看，剪力墻并不是越多越好，選取合理的剪力墻數(shù)量才能達(dá)到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的優(yōu)化。在地震作用中一直存在著剛性與柔性的說法。

剪力墻抗側(cè)移剛度此外還受到基底傾斜和地面傾斜的影響，比如說兩個(gè)相鄰基礎(chǔ)的影響、地基與上部結(jié)構(gòu)共同作用的影響與加荷速率的影響等等。那么怎么樣對一個(gè)工程項(xiàng)目實(shí)施建筑的基底與地面的布局與結(jié)構(gòu)布置？這通常與建筑物剪力墻的平立面直接相關(guān)。有地震數(shù)據(jù)表明，簡單、規(guī)則的建筑其抗震能力普遍較強(qiáng)。這是因?yàn)閺?fù)雜式建筑在地震發(fā)生時(shí)基底構(gòu)件的強(qiáng)度與剛度發(fā)不成一致規(guī)律，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)非常明顯。因此，在對建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中務(wù)必加強(qiáng)措施，盡可能遵循建筑物的均勻?qū)ΨQ原則，從總體上保證建筑物的基底與地面的穩(wěn)定性，確保相關(guān)的地震反應(yīng)數(shù)據(jù)計(jì)算審核無誤，這樣就可以在建筑物發(fā)生沉降時(shí)可以明確荷載的傳遞途徑，最大化地避免基底傾斜和地面傾斜對建筑物剪力墻構(gòu)成的影響。

通過實(shí)踐我們可以知道，不同的建筑形式在相同的受力荷載作用下地基破壞程度也不同，比如說L形、T形、Y形等不規(guī)則平面建筑，較之其他結(jié)構(gòu)形式建筑，它們的破壞率明顯增高；對于那些大底盤式的高層建筑，在相鄰樓層質(zhì)量突變較大的情況下，其破壞程度勢必加重；此外，由于建筑結(jié)構(gòu)形式差異，防震縫設(shè)置的寬度問題也有可能導(dǎo)致建筑物發(fā)生沉降破壞；樓層平面形心與重心偏移越大，對建筑地基強(qiáng)度的損耗越大。剪力墻抗側(cè)移剛度作為建筑設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容，在確定建筑結(jié)構(gòu)體系階段，會受到許多外界因素如建筑高度、經(jīng)濟(jì)狀況、場地布置、施工材料等影響，是一個(gè)涉及面極廣的技術(shù)問題，必須經(jīng)過謹(jǐn)慎的思考才能確定。

4.框架剪力墻結(jié)構(gòu)的連梁

4.1剪跨比不同的兩種連梁

在框架剪力墻結(jié)構(gòu)中，連梁起到影響結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的作用，因此合理的設(shè)計(jì)連梁對于結(jié)構(gòu)的安全性能至關(guān)重要。當(dāng)連梁的剪跨比小于5時(shí)，豎向荷載作用下，其承受的力很小，連梁的所承受的彎矩也很小，因此不會影響配筋的作用。但在水平荷載作用下時(shí)，其所承受的剪力很大，所承受的剪切彎矩相應(yīng)的也很大，容易發(fā)生剪切破壞。因此當(dāng)連梁設(shè)計(jì)剪跨比小于5時(shí)，其抗震等級需要與剪力墻抗震等級相同。當(dāng)連梁的剪跨比大于5時(shí)，可按照框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4.2框架與剪力墻的連接方式

通常情況下，認(rèn)為框架與剪力墻的連接方式有兩種，一種是剛接，一種是鉸接。當(dāng)框架與剪力墻的連接方式為剛接時(shí)，連梁的作用就得到了體現(xiàn)。其結(jié)構(gòu)主要是通過連梁把框架與剪力墻進(jìn)行連接的，這樣連梁和剪力墻就能共同工作，使結(jié)構(gòu)的整體剛度得到了保障。同時(shí)，在遇到大的地震作用下，連梁首先承受地震的作用，首先進(jìn)入了塑性階段來緩解地震作用，這樣結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性得到了一定的滿足。當(dāng)框架與剪力墻的連接方式為鉸接時(shí)，在設(shè)計(jì)中連梁的作用發(fā)揮不大，主要的作用需要考慮樓板的連接。但通常情況下，樓板需要開設(shè)孔洞，例如樓梯、電梯井等。所以樓板的連接就起不到很好的作用，這樣剪力墻的約束就會減少，結(jié)構(gòu)整體的剛度就會變小，結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性就得不到滿足。

5.結(jié)語

框架與剪力墻施工有一定的施工難度，同時(shí)也是工程中造價(jià)比例占用部分極大的分項(xiàng)，本文從框架剪力墻的結(jié)構(gòu)的受力與變形開始，從結(jié)構(gòu)的剛度、穩(wěn)定性等進(jìn)行了分析和探討，對建筑工框剪結(jié)構(gòu)的連梁的設(shè)計(jì)問題進(jìn)行了總結(jié)歸納，可以看到，如果我們采取合適的應(yīng)對措施，框架與剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作是完全可以盡善盡美的。

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