框架-剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)若干問題探討

何 鑫

(中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司, 湖北武漢 430000)

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)若干問題探討

何 鑫

(中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司, 湖北武漢 430000)

針對某18層框架-剪力墻結(jié)構(gòu)辦公樓，首先進(jìn)行了結(jié)構(gòu)體系的判斷，然后對周期比以及框架部分承受地震傾覆力矩的比例進(jìn)行了計(jì)算分析，并對這兩項(xiàng)指標(biāo)的控制提出了具體措施及設(shè)計(jì)建議，供類似設(shè)計(jì)參考。

框架-剪力墻； 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 周期比； 傾覆力矩

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)由框架和剪力墻組成，以其整體承擔(dān)荷載和作用，這種結(jié)構(gòu)同時(shí)兼有框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，在辦公類高層建筑中應(yīng)用相當(dāng)普遍。本文針對某18層框架-剪力墻結(jié)構(gòu)辦公樓，首先進(jìn)行了結(jié)構(gòu)體系的判斷選取，然后對周期比以及框架部分承受地震傾覆力矩的比例進(jìn)行了計(jì)算分析，并對這兩項(xiàng)指標(biāo)的控制提出了具體措施及設(shè)計(jì)建議，供類似設(shè)計(jì)參考。

1 工程概況

武漢地區(qū)某18層框架-剪力墻結(jié)構(gòu)辦公樓，首層層高5.4 m,其他層層高3.9 m,室內(nèi)外高差0.6 m,總高度72.3 m；抗震設(shè)防烈度為 6 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g,設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(丙類)；基本風(fēng)壓0.35 kN/m2(50 a一遇)，地面粗糙度類為A類。結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面布置如圖1所示。結(jié)構(gòu)整體計(jì)算采用中國建筑科學(xué)研究院編制的 PKPM系列 SATWE(V2.2版)。初步設(shè)計(jì)時(shí)，剪力墻厚度均為200 mm，框架柱截面尺寸根據(jù)軸壓比取800 mm×800 mm、1 000 mm×1 000 mm、 1 100 mm×1 100 mm，外圍框架梁截面尺寸為300 mm×700 mm,內(nèi)部框架梁截面尺寸按跨度選取。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面

2 結(jié)構(gòu)體系的選擇

JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[1]第9.1.2條規(guī)定：對高度不超過60 m的框架-核心筒結(jié)構(gòu)，可按框架-剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該建筑總高度為72.3 m，大于60 m，故按規(guī)范建議，需按框架-核心筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。但此時(shí)，核心筒角部邊緣構(gòu)件設(shè)置要求較高，結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性較差。而考慮到該建筑總高度不高(不超過A級(jí)高度框架-剪力墻結(jié)構(gòu)最大適用高度限值的80 %[2]即104 m)，且位于6度區(qū)，故最終仍選擇按框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行設(shè)計(jì)，只在結(jié)構(gòu)局部采取一定的抗震加強(qiáng)措施。

3 周期比及傾覆力矩計(jì)算分析

3.1 周期比計(jì)算分析

結(jié)構(gòu)自振周期表示結(jié)構(gòu)自身的性能,其中扭轉(zhuǎn)周期的相對大小反映了結(jié)構(gòu)抗扭剛度的大小，抗扭剛度較小的結(jié)構(gòu),其扭轉(zhuǎn)周期必然較長,甚至長于結(jié)構(gòu)平移周期。地震時(shí),這樣的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)反應(yīng)一般會(huì)較大,不利于抗震[3]。故規(guī)范對結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動(dòng)為主的第一自振周期T1的比值進(jìn)行了限制，即提出了周期比要求。

利用PKPM軟件對圖1所示結(jié)構(gòu)平面進(jìn)行建模計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)第一平動(dòng)周期T1為2.508 6s，第一扭轉(zhuǎn)周期Tt為2.611 6s，周期比Tt/T1=1.04，大于規(guī)范限制0.9[1]，故需對圖1結(jié)構(gòu)平面進(jìn)行調(diào)整?，F(xiàn)擬采取以下措施降低結(jié)構(gòu)周期比：

(2)在結(jié)構(gòu)平面角部增設(shè)長2m、厚300mm剪力墻(圖2)，同時(shí)將外圍①軸、⑨軸、軸、軸框架梁高度由300mm×700mm增加為300mm×800mm，增加結(jié)構(gòu)整體抗扭剛度。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層局部結(jié)構(gòu)平面

按以上措施分別調(diào)整計(jì)算模型，詳細(xì)計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)周期比及框架傾覆力矩比例

由表1可知，措施一在提高結(jié)構(gòu)抗扭剛度的同時(shí)提高了結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，且抗側(cè)剛度提高幅度大于抗扭剛度，故對結(jié)構(gòu)周期比調(diào)整效果不佳。措施二、措施三對結(jié)構(gòu)抗扭剛度提高幅度遠(yuǎn)大于抗側(cè)剛度，故對周期比調(diào)整效果明顯。但措施二對建筑立面效果及使用功能影響較大，需在方案階段與相關(guān)專業(yè)溝通協(xié)調(diào)。

3.2 傾覆力矩計(jì)算分析

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)在規(guī)定的水平力作用下，結(jié)構(gòu)底層框架部分承受的地震傾覆力矩與結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的比值對結(jié)構(gòu)性能有較大影響，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)據(jù)此比值確定該結(jié)構(gòu)相應(yīng)的適用高度和構(gòu)造措施[1]。

表1列舉了在各結(jié)構(gòu)平面布置方案條件下，Y向結(jié)構(gòu)底層框架部分承受的地震傾覆力矩比例，根據(jù)《高規(guī)》8.1.3的規(guī)定，當(dāng)結(jié)構(gòu)地震傾覆力矩比例大于50 %但不大于80 %時(shí)，其最大適用高度可比框架結(jié)構(gòu)適當(dāng)增加。規(guī)范規(guī)定的框架結(jié)構(gòu)最大適用高度為60m，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)最大適用高度為130m，該建筑總高度為72.3m，因規(guī)范未明確適用高度適當(dāng)增加的具體方法，故按照參考文獻(xiàn)[4]中介紹的插值法，計(jì)算出該結(jié)構(gòu)地震傾覆力矩最大允許比例為74.7 %。由表1可知，各方案均滿足要求，但措施二在改善了結(jié)構(gòu)周期比的同時(shí)，將框架地震傾覆力矩比例降到了50 %以下，效果最為理想。而在采用措施三后，雖然結(jié)構(gòu)周期比改善明顯，但框架地震傾覆力矩比例有所增加，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮。

4 結(jié) 論

(1)對于6度區(qū)的框架-核心筒結(jié)構(gòu)，當(dāng)建筑總高度不超過A級(jí)高度框架-剪力墻結(jié)構(gòu)最大適用高度限值的80 %時(shí)，為提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，在采取一定的抗震加強(qiáng)措施后，仍可按框架-剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(2)對于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，當(dāng)結(jié)構(gòu)底層框架部分承受的地震傾覆力矩比例大于50 %但不大于80 %時(shí)，其最大適用高度可按參考文獻(xiàn)[4]中介紹的插值法進(jìn)行計(jì)算。

(3)通過在結(jié)構(gòu)平面角部增設(shè)剪力墻，可有效改善框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的周期比，同時(shí)降低框架傾覆力矩比例；而加大外圍框架梁截面高度雖可改善結(jié)構(gòu)周期比，但框架傾覆力矩比例會(huì)有所增加，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮。

[1]JGJ3-2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 [S].

[2] 朱炳寅.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問答及分析[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[3] 方鄂華，程懋琨. 關(guān)于規(guī)程中對扭轉(zhuǎn)不規(guī)則控制方法的討論[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，2005，35(11)：12-15.

[4] 朱炳寅.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程應(yīng)用與分析.JGJ：3-2010 [M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

何鑫(1983～)，男，工學(xué)碩士，工程師，從事結(jié)構(gòu)工程研究與設(shè)計(jì)。

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[定稿日期]2016-10-19