鋼筋混凝土框架—剪力墻設(shè)計中的若干問題

杜建強

摘要：隨著高層建筑的爆發(fā)式增長，對鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理選型和優(yōu)化布置，對于降低建設(shè)成本具有指導(dǎo)意義。由于早期對結(jié)構(gòu)研究不夠深入，對力學(xué)性能掌握不夠深刻，以至于對剪力墻不能做出一個合理經(jīng)濟的布置方案，因此對高層剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計很有必要。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土；框架結(jié)構(gòu)；剪力墻設(shè)計；問題

1鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)分析

1.1鋼筋混凝土框架—剪結(jié)構(gòu)協(xié)同工作原理

在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中設(shè)置一些剪力墻，來增強結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移能力，使框架和剪力墻共同承擔(dān)豎向荷載和水平荷載，即為鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)。鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系從受力及變形特點來分析，在水平力作用下，剪力墻的變形曲線為彎曲型，其水平側(cè)移量主要取決于所受彎矩的大小，剪力墻側(cè)移量隨高度增加而增大，且越往上增加越快；鋼筋混凝土框架的變形曲線為剪切型，其水平側(cè)移量跟各樓層受到的剪力有關(guān)，越往上側(cè)移量增加越慢。由于剛性樓板的作用，使得框架和剪力墻協(xié)同工作，在水平荷載作用下，這種變形協(xié)調(diào)使得兩個結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生相互作用力。鋼筋混凝土框架—剪各樓層剪力的分配是隨樓層所處高度的不同而不同。在樓層底部，因為框架位移較大，而剪力墻位移小，它限制了框架的變形，剪力墻承擔(dān)了大部分剪力，則使兩者之間產(chǎn)生壓力；在樓層頂部，剪力墻位移較大，而框架的位移逐漸變小，使得兩者之間產(chǎn)生拉力，所以框架除了要承擔(dān)自身受到的剪力外，還要承擔(dān)限制剪力墻變形的附加剪力。這就使得鋼筋混凝土框架—剪結(jié)構(gòu)的底部變形要小于框架結(jié)構(gòu)，而上部變形要小于剪力墻結(jié)構(gòu)，最終使得層間位移沿建筑高度變化均勻，比單獨框架結(jié)構(gòu)或剪力墻結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出更好的變形特性，而且改善了框架結(jié)構(gòu)及剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能，也有利于減少小震作用下非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞。

1.2鋼筋混凝土框架—剪結(jié)構(gòu)中剪力墻的布置

1.2.1剪力墻的布置要點

（1）剪力墻的布置要盡量對稱，保證結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心和剛度中心接近。（2）剪力墻應(yīng)自下至上全部貫通，以使結(jié)構(gòu)剛度連續(xù)而且均勻。（3）結(jié)構(gòu)層數(shù)不多時，剪力墻可做成T形或L形；結(jié)構(gòu)層數(shù)較多時，剪力墻應(yīng)布置成井筒式。（4）剪力墻應(yīng)盡量靠近結(jié)構(gòu)外圍布置，可增強結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，但應(yīng)注意溫度應(yīng)力的影響。（5）為限制樓板在自身平面內(nèi)產(chǎn)生過大的撓曲，對于間距超過規(guī)定限制的剪力墻，應(yīng)在結(jié)構(gòu)計算時考慮樓板變形的影響。（6）結(jié)構(gòu)的平面形狀凹凸較明顯時，宜在凸出部分的端部布置剪力墻。（7）應(yīng)布置3片以上剛度均勻的剪力墻，單片剪力墻底部承擔(dān)的水平剪力不宜超過總水平剪力的40%。（8）在長度較大的鋼筋混凝土框架中，剪力墻不宜集中布置在鋼筋混凝土框架的兩端，以避免由于鋼筋混凝土框架兩端的約束作用而造成樓屋蓋以及梁板開裂。（9）對于長度較大的剪力墻，宜設(shè)置洞口和連梁形成雙肢墻或多肢墻，鋼筋混凝土框架部分以承受結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的30%左右為宜，且不應(yīng)大于50%。

1.2.2剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的分類

（1）尺寸優(yōu)化

對構(gòu)件尺寸進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，即把結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)作為設(shè)計變量，所以用有限元分析結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力時，不需要重新劃分網(wǎng)格。尺寸優(yōu)化必須保證結(jié)構(gòu)的形狀和拓?fù)浔３植蛔?，不能對結(jié)構(gòu)整體做大幅度修改。雖然尺寸優(yōu)化是優(yōu)化設(shè)計中的最低層次，卻為進(jìn)一步加深對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計理論的理解提供了依據(jù)。

（2）形狀優(yōu)化

形狀優(yōu)化的特征是，待求的設(shè)計變量是所研究問題的控制微分方程的定義區(qū)域，主要用來確定結(jié)構(gòu)尺寸或邊界形狀，使結(jié)構(gòu)特性得以改善。例如：應(yīng)力集中往往會造成結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的疲勞破壞、斷裂，而形狀優(yōu)化是解決應(yīng)力集中問題的有效途徑。形狀優(yōu)化相比尺寸優(yōu)化進(jìn)展較緩慢，主要原因有：在優(yōu)化過程中由于分析模型隨著結(jié)構(gòu)的形狀而不斷變化，只能不斷地對有限元網(wǎng)格進(jìn)行重新劃分，以及在優(yōu)化過程中，結(jié)構(gòu)性態(tài)、設(shè)計變量與單元剛度矩陣之間的非線性關(guān)系，使得形狀優(yōu)化的計算量變得很大。盡管如此，形狀優(yōu)化還是引起了許多專家學(xué)者的極大興趣。

（3）拓?fù)鋬?yōu)化

在上文提到的尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化，優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)為同一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如板上開有兩個孔洞，經(jīng)過尺寸優(yōu)化或形狀優(yōu)化后，改變的只是孔洞的大小尺寸或邊界形狀，而孔洞數(shù)量沒有變化。實際可能存在這樣一種情況，即在同樣滿足約束條件的前提下，孔洞數(shù)量的改變比孔洞尺寸或形狀的改變更能有效的減輕板重。拓?fù)鋬?yōu)化是在尺寸優(yōu)化基礎(chǔ)上，重點確定節(jié)點間的連接方式。

2鋼筋混凝土框架—剪結(jié)構(gòu)中剪力墻的位移和內(nèi)力計算

2.1基本假定及計算模型

2.1.1基本假定

（1）樓板在自身平面內(nèi)為剛度無限大，而在其平面外的剛度很小，可以忽略不計。這一點保證了樓板將鋼筋混凝土框架和剪力墻連成為一個整體，在水平力作用下，各抗側(cè)力單元之間不會產(chǎn)生相對位移。（2）對剪力墻，只考慮彎曲變形而不考慮剪切變形，對鋼筋混凝土框架只考慮剪切變形而不考慮彎曲變形。（3）忽略鋼筋混凝土框架柱和剪力墻的軸向變形與基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動的影響。（4）剪力墻布置對稱均勻時，即結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心與剛度中心重合，因此忽略其扭轉(zhuǎn)影響。（5）結(jié)構(gòu)的質(zhì)量以及剛度沿高度均勻分布。根據(jù)以上基本假定，結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下，處于同一標(biāo)高處的剪力墻與鋼筋混凝土框架的水平位移相同。

2.1.2計算模型

（1）鉸接體系

對于鋼筋混凝土框架—剪力墻鉸結(jié)體系，剪力墻與鋼筋混凝土框架在橫向僅通過樓板聯(lián)系?？蓪前逡曌鲃傂运芥湕U，它將結(jié)構(gòu)中的鋼筋混凝土框架和剪力墻連系起來，使兩種變形性質(zhì)截然不同的結(jié)構(gòu)具有了相同的側(cè)移變形。計算模型見圖1。

圖1鉸接體系計算模型

（2）剛接體系

對于鋼筋混凝土框架—剪力墻剛結(jié)體系，剪力墻與鋼筋混凝土框架之間不僅通過樓屋蓋聯(lián)系，部分剪力墻與鋼筋混凝土框架柱之間還通過具有一定抗彎剛度的連梁連系，這時的鋼筋混凝土框架—剪結(jié)構(gòu)具有更大的抗側(cè)剛度。計算模型見圖2。

圖2框架的剪切剛度

結(jié)語

總之，剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中有很多需要注意的問題，也有一些技巧，只有熟練地掌握規(guī)范，并具有良好的結(jié)構(gòu)概念，才能設(shè)計出既安全又經(jīng)濟適用的優(yōu)秀作品。

參考文獻(xiàn)：

[1]張黎明，郭惠.鋼筋混凝土框架一剪力墻設(shè)計中的若干問題[J].江蘇大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，（4）：73-77.

[2]梁守科.鋼框架結(jié)構(gòu)中設(shè)有鋼筋混凝土剪力墻的設(shè)計淺析[J].江西建材，2015，（2）：78-79