高層建筑框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震受力分析

王娜1 林孝和2

1.浙江建院建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)院 310000；2.中國(guó)聯(lián)合工程公司 310000

摘要：框架剪力墻結(jié)構(gòu)亦被稱為框剪結(jié)構(gòu)，它對(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。框架剪力墻的性價(jià)比較高，因此在國(guó)內(nèi)有很廣泛的應(yīng)用。本文主要分析了高層框架結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：高層建筑；框架；剪力墻結(jié)構(gòu)

引言

框架剪力墻結(jié)構(gòu)由于兼?zhèn)淇蚣芎图袅Φ奶卣?，在高層建筑中得到了廣泛應(yīng)用。如何提高框剪結(jié)構(gòu)的抗震性能，也成為建筑領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，其焦點(diǎn)就是如何將剪力墻與框架結(jié)構(gòu)的形變特征和諧起來(lái)，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(shì)，抵抗地震產(chǎn)生的破壞。

1、框架剪力墻抗力特性

1.1 框架和剪力墻的受力特征

高層建筑框架結(jié)構(gòu)的形變，呈現(xiàn)出來(lái)的往往是剪切型的特征，位移越高其變化越慢，曲線形式為開(kāi)口型，即形變曲線為剪切型。純框架結(jié)構(gòu)的建筑中期形變曲線都是類似的。所以，水平的受力會(huì)按照各個(gè)框架的抗推剛度D比例分配。而剪力墻的位移曲線所呈現(xiàn)的是懸臂彎曲梁的特征，位移越高其增大的速度越快，呈現(xiàn)出來(lái)的是彎形開(kāi)口的曲線。在平面范圍內(nèi)具備很大的抗彎曲強(qiáng)度，在普通的剪力墻結(jié)構(gòu)中，所有抗側(cè)力的建筑構(gòu)件受力側(cè)移的曲線均相似，即水平的力在各個(gè)剪力墻之間按照等效的剛度EI來(lái)分配。

1.2 框架剪力墻的受力特征

在框架-剪力墻建筑結(jié)構(gòu)中，通過(guò)平面內(nèi)無(wú)限大剛度的樓蓋將框架和剪力墻連接在一起，使其形成了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，共同抵抗水平向的側(cè)應(yīng)力，不會(huì)單獨(dú)受到各種彎曲變形或者剪切變形的影響，框架剪力墻在同一個(gè)樓層的位移是基本相同的。因此，框架剪力墻結(jié)構(gòu)在水平面內(nèi)的位移呈現(xiàn)出來(lái)的特征是介于框架與剪力墻之間的形態(tài)，為反S型的曲線，即彎剪型。所以，在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻在下部的層面形變較小，承擔(dān)80%以上的水平向剪力，而在高層建筑的上部，框架結(jié)構(gòu)的形變較小，可以協(xié)助剪力墻進(jìn)行作用，抵抗剪力墻的外拉式的形變，從而承受更大的水平剪切力。可見(jiàn)，框架剪力墻結(jié)構(gòu)實(shí)際上就是綜合了框架和剪力墻這兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，有效地協(xié)調(diào)了水平的形變，從而達(dá)到減小結(jié)構(gòu)性形變的效果，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，提高了建筑的抗震能力，在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中適用性較好。

2、高層框剪結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)

2.1 提高剪力墻的抗震能力

（1）在設(shè)計(jì)過(guò)程中，在剪力墻的周圍增加梁柱結(jié)構(gòu)，形成邊框剪力墻。這樣可阻止斜向的裂縫不會(huì)向鄰近的結(jié)構(gòu)擴(kuò)展，也可以在剪力墻遭到破壞后代替其承載。這里增加的邊框結(jié)構(gòu)應(yīng)具備斜截面的承載能力，以抵抗剪力墻開(kāi)裂后對(duì)梁柱施加的附加剪應(yīng)力。

（2）合理的肢墻面積。這種方法的思路是將肢墻的面積變小，利用結(jié)構(gòu)形式使其形成多肢墻或者雙肢墻，可以控制裂縫和屈服部位出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)豎縫和洞口的連梁位置，形成一個(gè)耗能的結(jié)構(gòu)。而且這樣的剪力墻可以降低剛度，避免在地震時(shí)發(fā)生剪切破壞和底部墻體過(guò)早屈服。

2.2 改善框架的抗震能力

（1）對(duì)框架結(jié)構(gòu)的角柱進(jìn)行強(qiáng)化。角柱是連接橫縱框架的關(guān)鍵，要增加框架結(jié)構(gòu)的整體性，就需要增強(qiáng)角柱的抗剪能力。

（2）在外圍框架的平面內(nèi)設(shè)計(jì)一定數(shù)量的鋼筋混凝土剪力墻墻板，這樣可以有效地克服框架的剪力滯后的情況，提高框架結(jié)構(gòu)的整體性和抵抗推力的剛度，減少整體結(jié)構(gòu)的側(cè)向移動(dòng)，特別是層間的位移，其形式為K或者X型。但是，應(yīng)注意這樣的結(jié)果是延性較差，如果在墻板上適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)十字開(kāi)口，人為地使之出現(xiàn)結(jié)構(gòu)薄弱部位，形成延性的耗能墻板，則更加有效。

（3）在結(jié)構(gòu)中增加偏交斜撐等贅余構(gòu)件，用彎曲耗能的形式代替軸變的耗能形式，其中折曲支撐可以利用鋼纖維混凝土桿來(lái)制造，偏心連接支撐一般采用鋼桿或者勁性鋼筋混凝土桿構(gòu)成。在強(qiáng)烈的地震中，一方面可以利用這些贅余的桿件來(lái)實(shí)現(xiàn)先行屈服和形變消耗地震能量；另一方面，當(dāng)這些贅余構(gòu)件因?yàn)樾巫兌プ饔煤螅w結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生穩(wěn)定體系的變化，而誘發(fā)建筑自振周期的改變，可以避免地震造成的建筑物的共振效應(yīng)。

2.3 改善整體抗震能力

（1）設(shè)計(jì)中采用機(jī)構(gòu)控制達(dá)成總體屈服效果。在框剪結(jié)構(gòu)中的特定位置，設(shè)置一定數(shù)量的“塑性鉸”，實(shí)現(xiàn)對(duì)塑性鉸發(fā)生位置、次序、形變程度的控制，使結(jié)構(gòu)在地震時(shí)形成較好的耗能機(jī)構(gòu)。在水平向力的作用中，水平的構(gòu)件首先屈服，然后才是豎向構(gòu)件。

（2）平衡結(jié)構(gòu)剛度和承載能力。在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻的數(shù)量增多，體積增大，剛度也會(huì)隨之增加。但是，這就會(huì)使結(jié)構(gòu)的自振周期變小，總體水平地震作用加大；反之，結(jié)構(gòu)的剛度就會(huì)減小，地震力作用也就變小。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)建筑的基本情況來(lái)綜合考量，將建筑的設(shè)防烈度、高度、裝修等級(jí)等內(nèi)容考量在內(nèi)，以確定結(jié)構(gòu)允許的位移的最大限值，從而確定剪力墻的數(shù)量和體積，保證經(jīng)濟(jì)和安全并重。

（3）剛度與延性的和諧統(tǒng)一?？蚣芘c剪力墻結(jié)構(gòu)在剛度和彈性限值、延性系數(shù)等方面都存在著一定的差異，這就給框剪結(jié)構(gòu)抗震性能的提升制造了難題。理論上，框剪結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)各個(gè)構(gòu)件不能協(xié)調(diào)性發(fā)揮作用，而出現(xiàn)先后破壞、各個(gè)擊破的情況，這就大大降低了結(jié)構(gòu)中各個(gè)構(gòu)件的有效性和抗震的可靠程度。所以，在設(shè)計(jì)中應(yīng)將各個(gè)構(gòu)件協(xié)調(diào)起來(lái)，使剛度與延性和諧統(tǒng)一，以此保證建筑的抗震需求。

3、結(jié)語(yǔ)

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)之所以在建筑中得到了廣泛應(yīng)用，就是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)的互補(bǔ)性。合理的設(shè)計(jì)可以使其突出框架和剪力墻的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，提高高層建筑的抗震能力，而設(shè)計(jì)的關(guān)鍵則是剪力墻數(shù)量和形式的使用。因此，在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，應(yīng)遵循結(jié)構(gòu)均勻、承載分散、把握節(jié)點(diǎn)等原則，來(lái)確定框架和剪力墻的使用比例和形式，以此來(lái)保證框剪結(jié)構(gòu)在高層建筑抗震中起到應(yīng)有的作用。

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