結(jié)合實(shí)例分析框架剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)

劉貴榮

摘 要：框架-剪力墻結(jié)構(gòu)由抗震墻與延性框架兩個(gè)系統(tǒng)組成，因其適用性以及良好的抗震性能，并且具有較高的性價(jià)比，得到了的廣泛應(yīng)用。本文通過對(duì)框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的實(shí)例分析和比較，并且針對(duì)框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震的性能和施工特點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)的探討，并通過對(duì)該結(jié)構(gòu)的整體性能分析，以滿足不同建筑功能要求。框架-剪力墻結(jié)構(gòu)擁有性價(jià)比高、耐久性較好、安全性與經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：框架剪力墻結(jié)構(gòu)；抗震分析；設(shè)計(jì)探討

引 言

隨著科技的發(fā)展和城市化進(jìn)程的逐漸加快，人們對(duì)居住環(huán)境的要求日益提高，尤其是近年來地震災(zāi)害的頻發(fā)，讓我們看到了很多建筑中不規(guī)則的結(jié)構(gòu)的破壞所帶來的人身和財(cái)產(chǎn)安全的巨大損害。因此為了保障更多的建筑物建設(shè)中的結(jié)構(gòu)安全和建設(shè)成功后的正常使用，我們必須對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行加強(qiáng)。在當(dāng)今建筑設(shè)計(jì)中主要采用框架和剪力墻結(jié)構(gòu)，由于這兩種結(jié)構(gòu)都屬于抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，抗震性能各有千秋，其區(qū)別在于剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度相對(duì)較強(qiáng)，框架結(jié)構(gòu)的空間的利用率相對(duì)較大。因此如何將剪力墻與框架結(jié)構(gòu)的形變特征和諧起來，使得建筑在地震中體現(xiàn)出框架和剪力墻的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，以抵抗地震產(chǎn)生的破壞，是目前建筑行業(yè)力求實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

1 工程概況

廣州市某區(qū)的某工程，其中主樓22層，帶6層裙房，檐口高度97.5m，室內(nèi)外高差0.4m，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.6m，屬于《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ31010）（以下簡稱“高規(guī)”）規(guī)定的A級(jí)高度的高層建筑。由于建筑使用功能的要求，以及主樓存在結(jié)構(gòu)樓板局部不連續(xù)、豎向立面尺寸突變的特點(diǎn)，并且為了滿足建筑平面疊合面積小于較小邊25%的設(shè)計(jì)要求，克服平面不規(guī)則性以及豎向不規(guī)則性問題，以及為了充分保證抗震性能，經(jīng)探討采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

2 結(jié)構(gòu)受力分析

在該建筑工程中，由于結(jié)構(gòu)樓板不連續(xù)，且存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則問題，因此會(huì)導(dǎo)致樓板在承受和傳遞豎向力的同時(shí)，把水平力傳遞和分配給豎向抗側(cè)力構(gòu)件的情況。此外由于結(jié)構(gòu)樓板是強(qiáng)度構(gòu)件，樓板的抗震設(shè)計(jì)中，除了豎向力引起的平面外彎矩、扭矩和橫向剪力以外，還存在著協(xié)調(diào)變形，以及傳遞和分配水平力時(shí)產(chǎn)生的平面內(nèi)剪力和軸力，這對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能構(gòu)成了一定的威脅，在抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮相關(guān)因素，避免出現(xiàn)漏力現(xiàn)象，對(duì)抗震結(jié)構(gòu)造成不可修復(fù)的損傷。同時(shí)由干剪力墻和框架的層間位移角彈性極限值相差很遠(yuǎn)，抗震性能較差，改善框剪結(jié)構(gòu)的抗震性能就顯得尤為必要。

3 建筑物抗震性能要求

上文提到該建筑工程的結(jié)構(gòu)中存在樓板不連續(xù)的問題，同時(shí)樓板的扭轉(zhuǎn)也是潛在的問題，為了滿足該工程的結(jié)構(gòu)安全性能的要求，應(yīng)該按照以下的規(guī)范進(jìn)行抗震性能設(shè)計(jì)：①根據(jù)《建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，建筑物首先能夠達(dá)到的抗震標(biāo)準(zhǔn)是“小震不壞，大震不倒”。根據(jù)構(gòu)件的類型不同和建筑的受力性質(zhì)的不同以及每個(gè)部分的重要性不同，又有具體的抗震要求。②使用震型分解反應(yīng)譜的方法來進(jìn)行彈性設(shè)計(jì)分析，按照50年的基準(zhǔn)期進(jìn)行設(shè)計(jì)。建筑構(gòu)件的配筋和斷面尺寸需要按照高層建筑物規(guī)范和抗震規(guī)范等規(guī)定的荷載組合進(jìn)行計(jì)算。

在我國現(xiàn)有的規(guī)范的約束下，參照美國規(guī)范和其他的性能水準(zhǔn)，對(duì)于建筑物的抗震性能做出了詳細(xì)的目標(biāo)分類，詳細(xì)情況見下表，這個(gè)表格與“高規(guī)”推薦的C級(jí)性能目標(biāo)基本符合。

對(duì)于建筑物的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)來說，具體參見表2。這里建筑物的地面粗糙度為B類，基本風(fēng)壓按照以下標(biāo)準(zhǔn)：對(duì)于50年一遇來說，風(fēng)壓為0.50kN/m2；如果是100年一遇的情況，則基本風(fēng)壓為0.60kN/m2。

4 框剪-剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

框剪-剪力墻結(jié)構(gòu)對(duì)豎向布置繁雜或平面、水平荷載較大的高層建筑十分適用，但針對(duì)本工程的特殊性，常規(guī)的承載力設(shè)計(jì)法已經(jīng)不能完全滿足本工程的結(jié)構(gòu)安全性要求，因此按下列理念作為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則。

4.1 框架結(jié)構(gòu)分析

由于建筑的框架結(jié)構(gòu)僅僅滿足結(jié)構(gòu)總體布置的一般原則，只能承受自身平面內(nèi)的水平力，為了克服該工程樓板平面不規(guī)則性以及豎向不規(guī)則性問題，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還應(yīng)該考慮下面的一些要求：針對(duì)抗震設(shè)防的框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，需要對(duì)橫向和縱向框架結(jié)構(gòu)采取剛接框架的設(shè)計(jì)方案，并且設(shè)計(jì)成雙向梁柱抗側(cè)力體系；其次框架梁、柱中心線宜重合；框架結(jié)構(gòu)的填充墻及隔墻宜選用輕質(zhì)墻體，應(yīng)避免其布置格局形成上下層剛度變化過大的情況，同時(shí)避免形成短柱和減少因抗側(cè)移剛度偏心所造成的扭轉(zhuǎn)；此外在進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，不應(yīng)采用部分由砌體墻承重的混合承重形式，否則對(duì)建筑物的抗震不利。

4.2 剪力墻結(jié)構(gòu)分析

剪力墻結(jié)構(gòu)形式是高層住宅采用最為廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式。剪力墻結(jié)構(gòu)能有效地承擔(dān)各類荷載引起的內(nèi)力，以及控制結(jié)構(gòu)的水平力，同時(shí)承受豎向力能力也較大，橫向剛度大，但剪力墻結(jié)構(gòu)的延展性比較差，為了增加水平面的抗剪能力，必須增加剪力墻的設(shè)計(jì)厚度，不利于空間利用率的提升，通常情況下剪力墻結(jié)構(gòu)只能以小房間為主的房屋，如住宅、賓館、單身宿舍。而賓館中需要大空間的門廳、餐廳、商場等往往設(shè)置在另外的建筑單元中，一般在30m高度范圍內(nèi)適用。同時(shí)針對(duì)本工程屬于高層建筑的情況，其上層設(shè)計(jì)中，若采用剪力墻結(jié)構(gòu)，并且達(dá)到抗震設(shè)計(jì)要求，其空間可用率和設(shè)計(jì)成本均與實(shí)際設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)都出現(xiàn)較大矛盾，不合理現(xiàn)象嚴(yán)重。

4.3 框架和剪力墻的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

通過系統(tǒng)的分析與探討，發(fā)現(xiàn)框架和剪力墻結(jié)構(gòu)存在著各自的優(yōu)點(diǎn)和弊端，框架結(jié)構(gòu)建筑布置比較靈活，可以形成較大的空間，但它的缺點(diǎn)是抵抗水平荷載的能力較差，而剪力墻結(jié)構(gòu)則相反。為了滿足抗震強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，提高空間利用率，一般在進(jìn)行像該工程項(xiàng)目的建設(shè)中，采用框架剪力墻的負(fù)荷結(jié)構(gòu)。在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中，框架和剪力墻是協(xié)調(diào)工作的，剪力墻主要承受水平荷載，框架主要承受垂直荷載，兩種結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)應(yīng)用，以滿足本工程的高層設(shè)計(jì)要求。

5 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

5.1 基于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)

結(jié)合該工程的設(shè)計(jì)要求，以及充分考慮相關(guān)設(shè)計(jì)因素的限制，在對(duì)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)過程中，需要充分考慮下列要求：設(shè)計(jì)上應(yīng)保證連梁彎曲破壞先于剪切破壞，在連梁內(nèi)充分配箍可配置交叉斜筋，保證梁內(nèi)塑性鉸的出現(xiàn)。在結(jié)構(gòu)布置上，上部住宅要采用大開間剪力墻，這樣能有效的減小上、下結(jié)構(gòu)剛度比，下部大底盤大空間的框支柱及所有抗震墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)要采用C50（5層以上塔樓混凝土強(qiáng)度等級(jí)改為C40到C30），以達(dá)到剪力墻數(shù)量優(yōu)化。同時(shí)將所有框支柱的箍筋沿15層通長加密，將轉(zhuǎn)換層柱子伸至主體6層柱內(nèi)，部分主筋伸至更高一層，以減少豎向剛度的差異。這樣能加強(qiáng)框架的角柱抗震性能，從而達(dá)到框架結(jié)構(gòu)整體抗震性能。

5.2 基于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)位移的抗震設(shè)計(jì)

這種設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是，根據(jù)結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)將其性能分為三個(gè)層次：防倒塌，保護(hù)人和正常使用，而各層之間的位移和角度的限制就是對(duì)這三個(gè)層次的一個(gè)量化。我們研究所使用的模式是等截面彎剪懸臂桿的側(cè)移，然而其荷載的分布顯然是呈倒三角形分布的，這既是所謂的側(cè)移模式。對(duì)于將側(cè)移曲線上的彎曲點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的樓層處的樓層之間的位移角就應(yīng)該是達(dá)到所對(duì)應(yīng)的限制時(shí)的目標(biāo)側(cè)移曲線。我們可以根據(jù)這個(gè)模型的原理，通過調(diào)整曲線上的點(diǎn)位移角的結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)到現(xiàn)實(shí)的樓層當(dāng)中，就可以使建筑物按照人們的想法進(jìn)行抗震的要求設(shè)計(jì)。

6 結(jié) 論

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)應(yīng)用很普遍，所以很有必要對(duì)框剪結(jié)構(gòu)抗震性能的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。本工程通過對(duì)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確定了性能化抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)，希望對(duì)相關(guān)建筑工程項(xiàng)目具有一定的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)

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[2]黃長城，方林，金國芳.某不規(guī)則鋼框架結(jié)構(gòu)房屋抗震性能分析研究.結(jié)構(gòu)工程師.2013.10.