高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題探討

李洋

摘要：隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展對(duì)高層建筑的需求愈來(lái)愈大且高層建筑體型日趨復(fù)雜，各種不同功能的用房綜合在一起組成形態(tài)各異，高層建筑給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增加了一定的難度，雖然已經(jīng)有大量的研究成果，但是在實(shí)際設(shè)計(jì)中仍然存在著大量的問(wèn)題有待進(jìn)一步的解決。本文將對(duì)框架—剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中涉及到的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行主要介紹。

關(guān)鍵詞：高層建筑；剪力墻；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、引言

在我國(guó)，大多數(shù)高層建筑都采用的是框架-剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)除了抗震性能優(yōu)越，還能夠更好的發(fā)揮建筑功能，其中，剪力墻結(jié)構(gòu)對(duì)于整體結(jié)構(gòu)的控制尤為重要，具有剛度大，整體性強(qiáng)，抗側(cè)移能力強(qiáng)等特點(diǎn)，下面就主要介紹一下剪力墻結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些問(wèn)題。

2、剪力墻的布置

剪力墻的平面布置一般原則是均勻、分散、對(duì)稱、周邊。分散原則是要求剪力墻片數(shù)不要太少，而且每片剪力墻剛度不要太大，連續(xù)尺寸不要太長(zhǎng)， 使抗側(cè)力構(gòu)件數(shù)量多一些， 分散一些， 每片剪力墻的彎曲剛度適中，在使用中不會(huì)因?yàn)閭€(gè)別墻的局部破壞而影響整體的抗側(cè)力性能，也不會(huì)使個(gè)別墻的受力太集中， 負(fù)擔(dān)過(guò)重 而引起過(guò)早地被破壞，剛度過(guò)大的墻承擔(dān)的內(nèi)力也大，相應(yīng)的基礎(chǔ)處理難度增加， 同時(shí)也考慮到剪力墻相距太遠(yuǎn)，樓面剛度要求大， 很難滿足要求，周邊的原則是考慮建筑物抵抗扭轉(zhuǎn)能力，便于保證剛度中心與平面中心相吻合；剪力墻布置在周 邊對(duì)稱位置，增加抵抗扭轉(zhuǎn)的內(nèi)力臂， 在不增加剪力墻面積的情況下， 提高抗扭轉(zhuǎn)能力。剪力墻布置的位置應(yīng)設(shè)在平面形狀變化處， 平面形狀變化處；角隅、端角、凹角部位往往是應(yīng)力集中處，設(shè)置剪力墻給予加強(qiáng)是很有必要的， 在高層建筑的 樓梯間，電梯間，管道井處，樓面開洞嚴(yán)重地削弱樓板剛度， 對(duì)保證框架與剪力墻協(xié)同工作極為不利。因此， 在工程設(shè)計(jì)中用鋼筋混凝土剪力墻來(lái)加強(qiáng)這些薄弱端 部， 如樓梯間，電梯井道處， 豎向管道井等是十分有效的。

3、剪力墻合理數(shù)量的確定

剪力墻的合理數(shù)量按許可位移決定 ， 按高層建筑規(guī)范中一般裝修材料 ， 框架—剪力墻結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移與高之比 U/H 不宜大于 1/700，裝修要求較高時(shí) U/H 不宜超過(guò) 1/850， 在滿足這個(gè)要求的前提下 ， 增減剪力墻的數(shù)量。用結(jié)構(gòu)自振周期校核剪力墻布置數(shù)量是否合理 ， 因?yàn)閺牡卣鹱饔帽旧韥?lái)分析 ， 剪力墻結(jié)構(gòu)剛 度 小 ， 地震作用小 ， 位移限制能寬松的滿足 ， 但這種結(jié)構(gòu)在工程上有可能不很合理 ， 結(jié)構(gòu)的自振周期有可能不在合理范圍內(nèi)， 結(jié)構(gòu)自振周期的合理范圍大致在：

T1=（0.09- 0.12）NS

式中： NS——樓層數(shù)

剪力墻數(shù)量多導(dǎo)致框架—剪力墻結(jié)構(gòu)剛度就大一些 ， 地震時(shí)周期短地震力也加大一些 ， 材料耗量增大。日本震害調(diào)查表明 當(dāng)每 m2 樓面平均剪力墻長(zhǎng)度少50mm長(zhǎng)時(shí)， 震害嚴(yán)重； 在 50-150mm 之間時(shí) ， 震害中等 ； 長(zhǎng)150mm 以 上 ， 震害輕微 ， 目前我國(guó)尚無(wú)這方面的成熟經(jīng)驗(yàn)， 設(shè)計(jì)中可根據(jù)工程具體情況，建筑物高度、地區(qū)設(shè)防烈度及參考上面方法取值。

4、剪力墻肢截面短肢分類

按墻肢截面高度與厚度之比 ， 剪力墻墻肢可分為一般剪力墻 、短肢剪力墻、超短肢剪力墻及柱形墻肢。一般剪力墻的墻肢截面高厚比大于 8， 短肢剪力墻的墻肢截面高厚比為 5～8， 當(dāng)墻肢截面高厚比在 3～5 之間時(shí)為超短肢剪力墻 ， 墻肢截面高厚比小于 3 時(shí)為柱形墻肢。一般剪力墻墻肢較長(zhǎng)， 抗側(cè)剛度大， 能承受很大的水平及豎向荷載， 因此無(wú)論是整截面墻還是整體小開口墻及聯(lián)肢墻的墻肢都應(yīng)優(yōu)先布置一般剪力墻。短肢剪力墻因墻肢較短， 有利于住宅建筑布置， 可以減輕結(jié)構(gòu)自重 ， 應(yīng)用比較廣泛， 但其抗震性能較差， 地震區(qū) 應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不多 ， 可用于整截面墻或整體小開口墻及聯(lián)肢墻的墻肢中 ， 考慮到高層建筑的安全， 其數(shù)量不宜過(guò)多， 規(guī)范對(duì)其有嚴(yán)格的限制。因此 ， 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中， 應(yīng)多布置一般剪力 墻 ， 少量采用短肢剪力墻， 如有可能盡量不用超短肢剪力墻及柱形墻 肢 。但一般剪力墻也不是墻肢越長(zhǎng)越好， 當(dāng)墻肢高長(zhǎng)比 H /hw 或剪跨比大于 2 的一般剪力墻 ， 稱為高墻 ， 其受力狀態(tài)為 彎剪型和彎曲型 ， 其破壞為彎曲破壞， 屬于延性破壞。墻肢高長(zhǎng)比 H /hw 或剪跨比不大于 2 的， 在水平地震作用下的破壞模式或?yàn)榧羟衅茐?，或?yàn)榧魪澠茐?， 很難避免出現(xiàn)剪切斜裂縫， 尤其H /hw≤l 或剪跨比小于 l 的墻肢， 稱為矮墻 ， 其破壞均為剪切破壞， 類似短柱， 屬于脆性破壞， 在高層建筑中嚴(yán)禁采用。對(duì)于矮墻及中矮墻可通過(guò)開洞分成若干墻段 ， 每個(gè)墻段的高長(zhǎng)比大于 2， 墻段可以是一般剪力墻， 也可以是聯(lián)肢墻， 各墻段間宜設(shè)置弱連梁連接。

5、框架-剪力墻中連梁設(shè)計(jì)

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中框架與剪力墻、剪力墻與剪力墻的連接方式有鉸結(jié)與剛結(jié)兩種。鉸結(jié)為通過(guò)樓板連接來(lái)保證剪力墻與框架協(xié)同工作，剛結(jié)為通過(guò)連梁連接來(lái)保證剪力墻與框架協(xié)同工作。在鉸結(jié)體系中，由于沒有考慮連梁的約束作用，使得樓板作用顯著，要保證剪力墻與框架協(xié)同變形和工作，樓板必須絕對(duì)剛性。在剛結(jié)體系中，連梁對(duì)墻和柱都會(huì)產(chǎn)生約束，連梁將承擔(dān)著較大的剪力和彎矩，約束作用明顯，并可以與樓板一同作為連接構(gòu)件，傳遞彎矩、剪力、軸力。當(dāng)結(jié)構(gòu)遭受小于其設(shè)防烈度的多遇地震時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段。當(dāng)遭受高于其設(shè)防烈度的罕遇地震時(shí)，連梁形成塑性鉸消耗地震能量，結(jié)構(gòu)剛度降低，自振周期加大，地震力降低，減輕結(jié)構(gòu)破壞。但由于連梁跨高比小，兩端連接的墻或柱剛度差異較大，連梁變形產(chǎn)生較大的內(nèi)力而破壞。連梁破壞有脆性的剪切破壞和延性的彎曲破壞，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免連梁發(fā)生剪切破壞，讓連梁先屈服，形成塑性鉸。連梁設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮以下措施：（ 1） 對(duì)連梁的剛度進(jìn)行折減，既保證了塑性鉸出現(xiàn)在連梁上，又減少其內(nèi)力，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 5. 21 規(guī)定，在內(nèi)力與位移計(jì)算中，抗震設(shè)計(jì)的框架 - 剪力墻或剪力墻結(jié)構(gòu)中的連梁可予以折減，折減系數(shù)不宜小于 0. 5。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，連梁折減系數(shù)一般取 0. 7。（ 2） 若連梁剛度折減后內(nèi)力還是過(guò)大，截面設(shè)計(jì)困難，可在連梁截面高度的中間開設(shè)水平通縫。（ 3） 為保證連梁的延性，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)做到“強(qiáng)墻（ 柱） 弱梁”，“強(qiáng)剪弱彎”，截面尺寸應(yīng)符合規(guī)范設(shè)計(jì)要求。（ 4） 不宜將樓面主梁支承在連梁上。

6、結(jié)論

合理的搞好框架- 剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，將直接影響到建筑物的安全使用與技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的高低。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初步階段，剪力墻數(shù)目的合理確定，不但可以減少大量重復(fù)工作的問(wèn)題，還可以達(dá)到經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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