高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)研究

崔炫

摘要：伴隨我國(guó)高層建筑的飛速發(fā)展，對(duì)高層建筑抗震性能也提出更高的要求，框架剪力墻設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)由于能夠綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)。本文為深入研究該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，首先分別對(duì)剪力墻、框架以及框架剪力墻進(jìn)行受力分析，進(jìn)而對(duì)框架剪力墻結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)計(jì)上的要點(diǎn)進(jìn)行研究，希望為今后框架剪力墻結(jié)構(gòu)在高層建筑工程中的應(yīng)用提供一定的參考與幫助。

Abstract： With the rapid development of high-rise buildings in China， higher requirements have been put forward for the seismic performance of high-rise buildings. The frame shear wall design structure is widely used in the construction industry because of its advantages. In this paper， the design key points of the structure is studied. First， force analysis of the shear wall， frame and frame shear wall is carried out， and then the key points of the seismic design of frame shear wall structure are studied. It is hoped that this paper can provide help for the application of frame shear wall structure in the high-rise building construction in the future.

關(guān)鍵詞：框架結(jié)構(gòu)；剪力墻結(jié)構(gòu)；高層建筑；受力特征：設(shè)計(jì)要點(diǎn)

Key words： frame structure；shear wall structure；high-rise building；stress characteristics；design points

中圖分類(lèi)號(hào)：TU398+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）14-0079-02

0 引言

目前，隨著我國(guó)城市建筑行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)高層建筑的要求就越來(lái)越高，由于框架剪力墻結(jié)構(gòu)不僅具有框架的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有剪力墻的優(yōu)點(diǎn)，因此，該結(jié)構(gòu)普遍應(yīng)用于城市高層建筑中。而因抗震性是框架剪力墻結(jié)構(gòu)的重要性能，故框架剪力墻的抗震性成為高程建筑設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。為使框架剪力墻結(jié)構(gòu)可以在地震中最大性能地表現(xiàn)出其優(yōu)點(diǎn)，需對(duì)框架和剪力墻的變形特點(diǎn)進(jìn)行研究，并將其完美的結(jié)合起來(lái)[1]。

1 框架剪力墻受力特點(diǎn)

1.1 框架、剪力墻受力特點(diǎn)

框架結(jié)構(gòu)在高層建筑中的形變一般表現(xiàn)出剪切特點(diǎn)，其改變情況會(huì)隨著位移的增加而減慢，屬于開(kāi)口型曲線(xiàn)，即框架結(jié)構(gòu)的形變曲線(xiàn)屬于剪切型。在建筑中期純框架結(jié)構(gòu)的形變曲線(xiàn)相同。因此，其水平方向受力是根據(jù)不同框架結(jié)構(gòu)的抗推剛度按一定的比例進(jìn)行分配。

剪力墻結(jié)構(gòu)的變形曲線(xiàn)特征類(lèi)似于懸臂梁彎曲曲線(xiàn)的特點(diǎn)，其增大速度隨著位移的增大而加快，曲線(xiàn)表現(xiàn)出彎形開(kāi)口。抗彎曲強(qiáng)度在平面內(nèi)表現(xiàn)較大，當(dāng)結(jié)構(gòu)屬于普通剪力墻時(shí)，其受力位移線(xiàn)類(lèi)似，即在剪力墻間水平方向的力根據(jù)其剛度值分別進(jìn)行等效分配[2]。

1.2 框架剪力墻結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)

框架剪力墻高層結(jié)構(gòu)中，由于高層建筑樓蓋在平面范圍內(nèi)剛度可以認(rèn)為是無(wú)限大的，因此結(jié)構(gòu)的剪力墻與框架可以通過(guò)樓蓋進(jìn)行連接并形成網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而一起承擔(dān)水平方向力，避免結(jié)構(gòu)受剪切變形或彎曲變形的單一影響，在同一樓層該結(jié)構(gòu)位移基本保持一致。故，在水平面范圍框架剪力墻的位移形式位于剪力墻和框架間，屬于彎剪型，即曲線(xiàn)屬于煩S型。因此，對(duì)于框架剪力墻高層建筑結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，在建筑的下部剪力墻因受到大于80%的水平剪力而導(dǎo)致變形量很小，相反在建筑結(jié)構(gòu)的上部，框架結(jié)構(gòu)受到較小的變形，能夠與剪力墻共同作用，來(lái)抵抗剪力墻結(jié)構(gòu)向外的變形，水平方向的剪力也相應(yīng)地較大。實(shí)際上，框架剪力墻高層建筑結(jié)構(gòu)是剪力墻與框架結(jié)構(gòu)的結(jié)合，通過(guò)利用兩種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)而有效地對(duì)水平方向的變形進(jìn)行協(xié)調(diào)，從而達(dá)到對(duì)側(cè)向剛度增強(qiáng)的效果，最終增加結(jié)構(gòu)的抗震性[3]。

1.3 框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參數(shù)

在剪力墻在框架剪力墻高層建筑結(jié)構(gòu)中的受力通常由剛度λ表示，即采用框架剛度與剪力墻剛度之比來(lái)表示。在不考慮梁體軸向與約束變形的情況下，可通過(guò)下式表達(dá)：

根據(jù)實(shí)際工程顯示，當(dāng)λ較小時(shí)，說(shuō)明框架總體剪力剛度與剪力墻結(jié)構(gòu)的彎曲剛度比值也較小，整體彎曲變形屬于彎剪型，即當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)中存在過(guò)多的剪力墻時(shí)，建筑自振周期降低，剛度變大，同時(shí)地震力反而增大，因此將減小其延展性，尤其不利于建筑結(jié)構(gòu)的頂部。通常情況下，越多的剪力墻越有利于結(jié)構(gòu)的抗震，然而剪力墻的數(shù)量存在一定的限度，若超過(guò)該極限數(shù)值將對(duì)建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)面的影響。根據(jù)相關(guān)研究[4]，當(dāng)λ不小于1.15時(shí)最有利于框架剪力墻結(jié)構(gòu)。

λ值并非越大越好，當(dāng)具有過(guò)大的λ值時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)會(huì)表現(xiàn)出剪彎的形式，即當(dāng)結(jié)構(gòu)中有較少數(shù)量的剪力墻時(shí)，剛度將變?nèi)醵鵁o(wú)法符合變形要求，此時(shí)框架結(jié)構(gòu)具有較大的受力，最終導(dǎo)致因增大的梁截面而增加成本。事實(shí)證明，通常情況下，λ不大于2.4為宜[5]。

2 框架剪力墻建筑抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 增強(qiáng)剪力墻抗震性

建筑結(jié)構(gòu)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，在剪力墻周邊通過(guò)增多梁柱的方式組成邊框剪力墻。該設(shè)計(jì)不見(jiàn)能夠有效防止因斜向裂縫而向周?chē)Y(jié)構(gòu)擴(kuò)展，還能夠代替損壞的剪力墻而發(fā)揮承載的作用。需要注意的是，當(dāng)邊框結(jié)構(gòu)數(shù)量增加時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足斜截面承載力，目的是抵抗因開(kāi)裂剪力墻而施加于梁柱的附加剪力。此外，肢墻面積應(yīng)當(dāng)合理，該設(shè)計(jì)法的原理是減小肢墻面積，通過(guò)結(jié)構(gòu)的形式而形成雙肢墻或多肢墻，來(lái)保證屈服位置和裂縫位于結(jié)構(gòu)洞口與豎縫的連梁處，從而形成耗能結(jié)構(gòu)。同時(shí)該剪力墻能夠減小剛度，在發(fā)生地震時(shí)防止出現(xiàn)剪切破壞以及在底部墻體出現(xiàn)過(guò)早的屈服[6]。

2.2 改善框架結(jié)構(gòu)抗震性

由于橫縱框架連接的重要結(jié)構(gòu)是角柱，因此，想要加固框架的整體性，則需要強(qiáng)化框架的角柱，增加其抗剪力。此外，為了避免框架出現(xiàn)剪力滯后的問(wèn)題，我們可以在外側(cè)框架結(jié)構(gòu)平面里設(shè)置鋼筋混凝土剪力墻的墻板，從而增加框架抵抗力剛度與結(jié)構(gòu)整體性，減小結(jié)構(gòu)發(fā)生側(cè)向的位移，尤其樓層之間的移動(dòng)，表現(xiàn)為X型或K型[7]。然而，需要考慮其較差的延性，應(yīng)當(dāng)在墻板上合適地位置設(shè)置十字開(kāi)口，使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)薄弱位置，從而得到延性耗能墻。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中加大偏交斜撐的數(shù)量，通過(guò)彎曲耗能來(lái)替代軸邊耗能，其中可以采用鋼纖維混凝土制作折曲支撐，而利用鋼桿制作偏心連接支撐。當(dāng)?shù)卣鹫鸺?jí)較大時(shí)，利用該桿件能夠完成先行屈服，此外，該類(lèi)構(gòu)件在地震中因變形而失效，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性發(fā)生改變同時(shí)改變建筑結(jié)構(gòu)的自振頻率，能夠有效防止建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)共振。[8]

2.3 提高整體抗震性

在設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)時(shí)通過(guò)機(jī)構(gòu)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)總體屈服的目的，在框架剪力墻建筑中的某個(gè)位置，采用安裝塑性鉸的方式來(lái)控制其作用的位置、變形度以及次序，從而使建筑物遭遇地震災(zāi)害時(shí)能夠更有效地形成耗能機(jī)構(gòu)。水平構(gòu)件在水平力的作用下先出現(xiàn)屈服，其次是豎向的構(gòu)件[9]。剪力墻在框架剪力墻中的體積越大、數(shù)量越多，那么其剛度也將越大，然而這將減小建筑的自振周期，地震作用增加；相反，建筑剛度將降低，地震作用也將減小。因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，需對(duì)建筑本身有充分的考慮，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的高度、設(shè)防烈度以及裝修等級(jí)等均應(yīng)考慮在內(nèi)，設(shè)置建筑結(jié)構(gòu)所能承受的最大位移值。最終目的是對(duì)剪力墻體積和數(shù)量的確定，確保結(jié)構(gòu)的安全以及經(jīng)濟(jì)性[10]。

3 工程案例分析

深圳某高層建筑項(xiàng)目，總面積約60000m2，總建筑高程為102m，地上地下分別為32層、3層。該高層建筑包括2棟塔樓，塔樓之間通過(guò)抗震縫使其分離。為滿(mǎn)足該建筑的使用功能，其中商用空間位于地面上1至5層，普通住宅位于5層之上，為使商用樓層與住宅結(jié)構(gòu)均滿(mǎn)足抗側(cè)力的要求，因此，該高層建筑設(shè)計(jì)中采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，5層頂面則采用梁式轉(zhuǎn)換來(lái)進(jìn)行剪力墻內(nèi)力的傳遞。底層框架結(jié)構(gòu)以及剪力墻的加強(qiáng)區(qū)均設(shè)計(jì)為一級(jí)抗震等級(jí)，框支柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗震等級(jí)為特一級(jí)，其他部分剪力墻設(shè)計(jì)的抗震等級(jí)為二級(jí)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)試驗(yàn)證明：為考慮建筑要求而設(shè)置于住宅層的轉(zhuǎn)角窗在很大程度上降低了結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，這極易導(dǎo)致墻體發(fā)生不規(guī)則的扭轉(zhuǎn)，這非常不利于高層且復(fù)雜結(jié)構(gòu)的抗震性。此外，我們可以通過(guò)加厚建筑底層外墻厚度以及墻體四周安置端柱的措施來(lái)約束墻體，還可以通過(guò)增加配筋、軸壓比的控制，使結(jié)構(gòu)具有一定的延展性，進(jìn)而提供抗震等級(jí)。該建筑主體工程為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，且采用鋼筋混凝土采用現(xiàn)澆施工進(jìn)行，樓板采用梁板式結(jié)構(gòu)，事實(shí)證明該結(jié)構(gòu)能夠很好地滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)性和剛度的要求。

4 結(jié)論

框架剪力墻建筑結(jié)構(gòu)由于其互補(bǔ)性而得到建筑行業(yè)的廣泛認(rèn)可以及使用。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理程度對(duì)框架剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮具有較大的影響，設(shè)計(jì)的合理程度越高其抗震性能越高，而通過(guò)分析可以得到，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于剪力墻形式以及數(shù)量的應(yīng)用。因此，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)，所遵循的原則應(yīng)當(dāng)是結(jié)構(gòu)承載均勻分散，同時(shí)有效把握節(jié)點(diǎn)，然后是剪力墻與框架使用形式以及比例的確定，以此確保高層建筑中框架剪力墻結(jié)構(gòu)對(duì)抗震的作用。

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