實(shí)例分析高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

班縣委

上海華東建設(shè)發(fā)展設(shè)計(jì)有限公司

實(shí)例分析高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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本文結(jié)合框架剪力墻結(jié)構(gòu)的變形及受力特點(diǎn)，對(duì)其設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的要點(diǎn)進(jìn)行分析和探討，以供參考。

高層建筑；框架剪力墻；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

前言

目前在建筑工程中，尤其是現(xiàn)代高層商業(yè)、辦公以及住宅建筑中，框架- 剪力墻結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)用十分普遍。該結(jié)構(gòu)形式能夠?yàn)榻ㄖ矫嫣峁┹^大的使用空間，同時(shí)借助剪力墻形式來提高建筑物的抗剪以及抗橫向彎矩的能力，因此探究高層建筑中框架- 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)極為必要。

1 框架剪力墻結(jié)構(gòu)的變形及受力特點(diǎn)

框架剪力墻建筑結(jié)構(gòu)，主要是通過平面內(nèi)部無限大剛度的樓蓋將框架和剪力墻連接在一起，促使其形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以便于能夠共同承擔(dān)水平方向的側(cè)應(yīng)力，不再單獨(dú)承受各種彎曲變形或者是剪切變形所帶來的影響。通常來說，框架- 剪力墻在同一樓層中的位移基本上是相同的。因此框架- 剪力墻結(jié)構(gòu)在水平面內(nèi)的位移表現(xiàn)為介于框架與剪力墻間的形態(tài)，為反S 型的曲線，也就是彎剪型。因此對(duì)于框架剪力墻結(jié)構(gòu)而言，剪力墻在下部的層面中形變較小，基本上承擔(dān)了大約80%及以上的水平向剪力，而在高層建筑的上部，框架結(jié)構(gòu)的形變則相對(duì)較小，能夠輔助剪力墻共同受力，以便于抵抗剪力墻的外拉時(shí)的形變，確保其能夠承受更大的水平剪切力?？梢哉f，框架- 剪力墻結(jié)構(gòu)融合了框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)的共同優(yōu)勢(shì)，能夠有效協(xié)調(diào)水平形變，并實(shí)現(xiàn)降低結(jié)構(gòu)性形變的目標(biāo)，有力的增加了結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，提升了整個(gè)建筑物的抗震性能，尤其適用于高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。

2 工程概況

某商貿(mào)中心3# 樓是以辦公樓、商業(yè)樓為一體的商貿(mào)中心項(xiàng)目。本工程為地下一層、地上二十七層的一類高層辦公綜合樓，3# 樓工程總建筑面積54687.93m2，采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)。其中地上總建筑面積(計(jì)容)49568m2，建筑占地面積2110.83m2，建筑總高度97.2m。地下室一層為車庫(kù)及設(shè)備用房，一層為商業(yè)及辦公門廳和消防控制室，二層及二層以上為辦公區(qū)域。

2.1 框架剪力墻結(jié)構(gòu)分析

在該工程中框架在水平荷載作用下的變形曲線呈剪切型，其水平側(cè)移量與受到的剪力有關(guān)，越往下受到的剪力累加值越大，因此下部的側(cè)移量比上部要大。剪力墻變形曲線呈現(xiàn)彎曲型的特點(diǎn)，此時(shí)剪力墻類似于懸臂受彎構(gòu)件，并且其水平側(cè)移量主要與所受的彎矩大小有關(guān)，其側(cè)移量與框架相反，是上部的側(cè)移量比下部要大，頂點(diǎn)水平位移值與高度是四次方關(guān)系：

式中H-總高度；EI-彎曲剛度

框架剪力墻力墻結(jié)構(gòu)中，剛性樓板把其中的框架部分和剪力墻部分聯(lián)系起來，使之協(xié)同工作，共同承擔(dān)水平荷載作用，變形一致，把框架的剪切型變形特征與剪力墻的彎曲型變形特征組成一種彎剪型變形結(jié)構(gòu)。在水平荷載作用下，這種變形協(xié)調(diào)可以讓框架和剪力墻之間產(chǎn)生相互的作用力?？蚣芗袅Φ臉菍蛹袅Ψ峙涫请S著高度的變化而變化。在建筑下部，由于剪力墻產(chǎn)生的位移小，這樣就限制約束了框架的變形，因此剪力墻承受了大部分剪力作用，兩者之間產(chǎn)生壓力，因此框架的側(cè)移減小。在建筑上部，框架的側(cè)移量逐漸變小，剪力墻的側(cè)移量卻逐漸變大，因此框架限制了剪力墻的變形，兩者產(chǎn)生拉力，并且框架還要承受剪力墻變形產(chǎn)生的附加剪力作用。從上可以看出，框架剪力墻下部分產(chǎn)生的變形比框架結(jié)構(gòu)要小，并且上部比剪力墻結(jié)構(gòu)要小，結(jié)構(gòu)各處變形趨勢(shì)比較均勻。通過以上分析可以看出框架剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用有著明顯的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)為了讓這一優(yōu)勢(shì)得到充分的發(fā)揮，就必須要合理布置框架與剪力墻，確保兩者能夠協(xié)同工作。

2.2 結(jié)構(gòu)布置及初選截面尺寸

(1)混凝土強(qiáng)度等級(jí)的選用：梁、板-1～4 層、屋面及出屋面構(gòu)件為C30，其余各層均為C25；墻、柱的-l～3 層為C45，4～8 層為C40，9～15 層為C35，16～22 層為C30，23 層以上為C25。按照建筑設(shè)計(jì)確定的軸線尺寸和結(jié)構(gòu)布置的原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置。剪力墻除在電梯井及樓梯間布置外，在3-4 軸、3-15 軸、3-F 軸、3-G 軸、3-L軸各設(shè)一道墻。

(2)柱截面尺寸：柱截面尺寸應(yīng)依據(jù)軸壓比限值來確定，同時(shí)結(jié)合結(jié)構(gòu)類型、建筑高度等因素，最終本次工程選用矩形柱截面，框架剪力墻的抗震等級(jí)均為三級(jí)。

(3)為了避免剛度突變問題的出現(xiàn)， 剪力墻開洞時(shí)洞口要上下對(duì)齊。

2.3 剪力墻的最大間距

剪力墻之間間距不宜過大，以防止樓板變形過大。剪力墻之間如果無大洞口的樓面的話，則剪力墻的最大間距、建筑物總寬度之間的比值應(yīng)該滿足相關(guān)要求。如果剪力墻之間有大洞口，其長(zhǎng)寬比還要比表中的要相應(yīng)減小。并且一般來說，現(xiàn)澆板中最大間距和建筑物總寬度的比值不應(yīng)大于4；對(duì)于裝配整體來說，最大間距與建筑物總寬度的比值應(yīng)控制在2.5 以下。本次工程設(shè)計(jì)中，兩者的比值設(shè)計(jì)在1～2 之間。

2.4 剪力墻的構(gòu)造要求

概括來說，邊框剪力墻構(gòu)造應(yīng)滿足以下要求：

(1)周邊應(yīng)設(shè)暗梁：一方面邊框在約束墻肢的混凝土方面有著重要作用，能夠有效地提高構(gòu)建承載力以及墻體延性；另一方面若框架梁和剪力墻相重合，可選保留，也可選擇不保留，但在不能保留時(shí)需要設(shè)暗梁。

(2)墻厚：抗震等級(jí)為一、二級(jí)的剪力墻，其底部加強(qiáng)部位的墻厚應(yīng)大于200mm 以及1/6 層高；非抗震設(shè)計(jì)時(shí)墻厚要大于160mm 以及1/20 層高。

(3)剪力墻數(shù)量的確定，應(yīng)以框架抗側(cè)移能力為前提，在確定框架梁、柱截面尺寸后，根據(jù)層間彈性位移角限值來計(jì)算。初步設(shè)計(jì)結(jié)算，剪力墻數(shù)量可按照以下公式來估算：剪力墻數(shù)量=(建筑底層剪力墻截面面積+ 全部柱截面面積)/ 樓面面積在數(shù)量設(shè)置時(shí)需要注意的是剪力墻并不是越多越多，并且為了發(fā)揮邊框的抗側(cè)力性能，以及確?？蚣芗袅υO(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)合理，剪力墻也不能無限增加。

(4)若框架梁和剪力墻合為一體，既可以保留框架梁，也可以設(shè)計(jì)為界面高度為2 倍墻厚，寬度和墻厚相同的暗梁。縱向鋼筋除按最小配筋率計(jì)算外，還要滿足縱向受力鋼筋應(yīng)配置在邊柱截面內(nèi)，邊框柱箍筋間距既要滿足加密區(qū)的設(shè)計(jì)要求，還要沿全高加密。

(5)框架剪力墻的布置原則主要有：剪力墻的間距不應(yīng)過大，以保證樓蓋具有足夠的剛度；剪力墻的布置位置應(yīng)選擇在建筑物周邊、電梯間及恒載較大的部位；為了形成明確的墻肢和連梁，剪力墻的門窗洞口要整齊、成列布置；為了避免剪力墻布置產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，在平面布置時(shí)應(yīng)盡量保障剛度中心和重力中心的靠近或吻合。

3 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，框架- 剪力墻結(jié)構(gòu)形式融合了框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)的雙重優(yōu)勢(shì)，對(duì)于提高整個(gè)建筑物的穩(wěn)定性和安全性功不可沒。

[1]朱孝弟，潘曉鵬.框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻的設(shè)計(jì)[J].河南建材，2010 (5)：120.

[2]蘇文生.框架剪力墻結(jié)構(gòu)剛度的調(diào)整與控制研究[J].民營(yíng)科技，2010(11)：303.