框支短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的受力與結(jié)構(gòu)分析

趙闖 郭東亮

摘 要：所謂的框支短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是由框支剪力墻結(jié)構(gòu)與短肢剪力墻結(jié)構(gòu)組合而成的。框支短肢剪力墻的受力情況明顯區(qū)別于以往的框支剪力墻，這是因?yàn)槎讨袅υ谄渲衅鹆俗饔?。在本文中，我們主要?duì)框支短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的受力情況以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，主要提出并解決了以下三個(gè)問題：計(jì)算層剪切剛度比方法、內(nèi)力在框支柱和框支梁間的作用情況、剪力在樓層間的分配方法等。

關(guān)鍵詞：框支；短肢；剪力墻；結(jié)構(gòu)分析

中圖分類號(hào)：TU398.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）11-0290-02

1 框支短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀

1.1 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

如果僅僅是指短肢剪力墻，那么其還是可以被劃分在剪力墻結(jié)構(gòu)中的，雖然它的肢長(zhǎng)是非常短的（通常情況下在2m左右或更短），但是相對(duì)于肢長(zhǎng)不大于四倍墻體厚度的異形柱，短肢剪力墻擁有其不可比擬的優(yōu)勢(shì)。短肢剪力墻不僅僅有著更為科學(xué)合理的受力情況，而且其截面的形式也比較豐富，一般情況下是L形、Z形、J形、T形，有時(shí)候也可能有+形或者一形。此外在結(jié)構(gòu)方面，也可以進(jìn)行更加靈活設(shè)置，可調(diào)整性非常強(qiáng)，在墻數(shù)量的設(shè)置上可以多也可以少，墻肢的長(zhǎng)度范圍也比較大，所以其整層剪切中心可以隨著調(diào)整進(jìn)行更正，故而對(duì)其進(jìn)行規(guī)劃的時(shí)候更加簡(jiǎn)單。

從抗側(cè)性能方面來看，短肢剪力墻的性能在框架和普通剪力墻中間，它擁有著彎曲型的位移曲線，不過比普通剪力墻曲率要小。因?yàn)槠淇箓?cè)方面的特點(diǎn)，導(dǎo)致樓層剪力的核心受力結(jié)構(gòu)不是核心筒，而是平均分布在墻體中，故而短肢剪力墻與框架在受力性能方面有著非常大的區(qū)別。

1.2 框支短肢剪力墻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

框支短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是根據(jù)以往對(duì)框支剪力墻的命名規(guī)范進(jìn)行命名的，不過在結(jié)構(gòu)方面來看，其自身的特點(diǎn)還是非常明顯的，主要體現(xiàn)在下面幾個(gè)地方：

（1）在支承形式方面，剪力墻一般都會(huì)同時(shí)擁有“框支”與“梁抬”兩種形式。因?yàn)閴χ拈L(zhǎng)度較短，數(shù)量較多，所以出現(xiàn)框支柱與一部分墻肢無法接觸的情況就成為了必然，而這種在梁上進(jìn)行直接支撐的形式，我們?cè)诠こ躺戏Q之為“抬梁”，由此看出，框支梁的設(shè)計(jì)在布置剪力墻中是尤為重要的。

（2）在使用轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的時(shí)候，我們一般會(huì)選擇深梁轉(zhuǎn)換。這是因?yàn)槎讨袅碛兄喾N截面形式，在大部分情況下都會(huì)發(fā)生主次梁一起支承上部墻肢，在小部分情況下還可能發(fā)生次梁支承傳遞給主梁，其傳力體系是非常復(fù)雜的。

（3）由于在框支剪力墻結(jié)構(gòu)當(dāng)中，其剛度在轉(zhuǎn)換層之間會(huì)出現(xiàn)較大的變化，所以其可以稱之為剪力墻的薄弱環(huán)節(jié)。因?yàn)榭蛑Ф讨袅Y(jié)構(gòu)擁有著墻肢較短的特點(diǎn)，所以其在一般情況下跟下層框支柱截面差別較小，所以如果可以在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，對(duì)其進(jìn)行重視并調(diào)整，將可以有效的防止突變情況的發(fā)生。

2 轉(zhuǎn)換層上下的剛度變化

2.1 現(xiàn)有剪切剛度比計(jì)算公式的缺陷

由于在傳統(tǒng)框支剪力墻結(jié)構(gòu)當(dāng)中，剛度在轉(zhuǎn)換層之間的差異較大，即：下層剪力墻剛度相比上層剪力墻剛度方面是非常小的，所以在轉(zhuǎn)換層間發(fā)生剛度突變的概率是非常大的。當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，由于應(yīng)力容易集中在剛度突變區(qū)域，又因?yàn)榈讓觿偠炔粔蛞鬃冃?，可是框支架抵抗變形的能力又比較弱，這將導(dǎo)致建筑物在抗震方面的能力下降。

而為了使這個(gè)問題得到有效的解決，一般情況下都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行科學(xué)合理的調(diào)整，除了對(duì)上下層剪切剛度比進(jìn)行減小之外，還會(huì)對(duì)墻與柱之間的界定進(jìn)行放寬，同時(shí)對(duì)墻的定義也應(yīng)該擴(kuò)展至尚寬比大于3的柱體。根據(jù)有關(guān)規(guī)定的調(diào)整，在落地剪力墻數(shù)量方面，取消了對(duì)其數(shù)量必須大于總剪力墻數(shù)量50%的規(guī)定，不過對(duì)于計(jì)算剪切剛度比的公式并沒有進(jìn)行調(diào)整。而在短肢剪力墻的建設(shè)中，由于其自身布置較為靈活，有著很多的變化，所以對(duì)其調(diào)整系數(shù)進(jìn)行確定也是非常困難的。

2.2 直接采用樓層側(cè)向剛度比控制

因?yàn)榻ㄖ锏馁|(zhì)量大部分在樓層處集中，所以在一般情況下，我們可以在對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析的時(shí)候，將其模擬為一連串豎向質(zhì)點(diǎn)的水平振動(dòng)。樓層抗側(cè)剛度的比值一般情況下會(huì)用剪切剛度比進(jìn)行表達(dá)的原因是為了能夠方便工程的驗(yàn)算。而在實(shí)際中，其樓層的抗側(cè)剛度在方向上是有所不同的，應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行分開分析。由此可以得知，就算把剪切剛度比計(jì)算方法用在大空間框支結(jié)構(gòu)中也是不準(zhǔn)確的。在進(jìn)行計(jì)算樓層側(cè)向剛度的時(shí)候是非常復(fù)雜的，需要對(duì)剪切、彎曲、軸向變形進(jìn)行綜合考慮。

3 單片框支剪力墻的工作方式

框支剪力墻的受力方面是比較復(fù)雜的，下部支承框架上部墻體中外荷載產(chǎn)生的內(nèi)力有著完全不同的分布情況。如果想要準(zhǔn)確的算出應(yīng)力，就需要對(duì)其共同的作用情況進(jìn)行分析。在豎向荷載作用下的工作特點(diǎn)主要為下文所述：

豎向荷載對(duì)框支剪力墻進(jìn)行作用后，在與框支梁有著較遠(yuǎn)距離的上部墻體中，豎向應(yīng)力不會(huì)因底部框架而改變其分布規(guī)律，若荷載對(duì)其進(jìn)行均勻作用，則豎向應(yīng)力也會(huì)分布均勻，而在稍微下方一點(diǎn)的位置的豎向應(yīng)力會(huì)集中在框支柱上方。

隨著框支柱的截面高度增大，托梁的剛度增大，那么豎向應(yīng)力的集中度將會(huì)下降，在分布上會(huì)越加均勻，在常用尺寸下，分布在邊柱的豎向應(yīng)力比平均應(yīng)力大4～6倍。

在柱的上方，單跨框架梁的彎矩是非常小的，其分布大致于簡(jiǎn)支梁相同。因?yàn)樯戏綁w與框架梁是一起進(jìn)行工作的，它們會(huì)結(jié)合成如倒T形的深梁，而其受拉翼緣就是框支梁。故而框架梁將會(huì)承擔(dān)軸向拉力，而拉力值能夠達(dá)到（0.15～0.20）qL。框支梁區(qū)別于普通的框架梁，框架梁在一般情況下都是受彎構(gòu)件，并沒有一點(diǎn)軸力，所以在相同豎向荷載作用下，會(huì)有較大的彎矩；而作為拉彎構(gòu)件的框支梁，有著較小的彎矩，不過它還有軸向拉力，在托梁的端部有著其最大的剪力，其中單跨框支梁的端部大概有0.25qL的剪力。

4 樓層剪力在墻柱間的分配

不把扭轉(zhuǎn)影響作為影響因素的情況下，同層各構(gòu)件的水平位移大體上是相同的，因?yàn)楦邔咏ㄖ械臉前逶谄矫嬷芯哂泻軓?qiáng)的剛度。分配剪力墻結(jié)構(gòu)中各片墻的水平力主要是根據(jù)它的等效剛度，而對(duì)框架結(jié)構(gòu)中各片框架的水平力進(jìn)行分配時(shí)主要根據(jù)它的抗側(cè)剛度D。對(duì)于平面框架的空間結(jié)構(gòu)來說，還要把框架平面外相連梁以及樓板對(duì)框架側(cè)移的約束力考慮進(jìn)去。

柱自身的線剛度和截面抗剪強(qiáng)度并不是決定柱的抗側(cè)剛度的唯一因素，而柱周圍的相連梁的剛度對(duì)柱的抗側(cè)剛度也有一定的影響。工程當(dāng)中，在墻和柱之間的樓層剪力進(jìn)行分配時(shí)通常認(rèn)為是根據(jù)它的截面抗剪強(qiáng)度，柱基本上核心簡(jiǎn)承擔(dān)了主要的樓層剪力，因?yàn)橹慕孛婵辜魪?qiáng)度要比墻小的多。正如上面所提及的一樣，框支剪力墻結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層框支梁具有很大的截面高度。

如上文所述，框支剪力墻結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層框支梁截面高度較大，所以，并不是核心筒主要承擔(dān)著樓層剪力，而梁在增加柱抗側(cè)剛度方面也有非常重要的作用。由于框支短肢剪力墻結(jié)構(gòu)具有較多的墻肢，且這些墻肢的分布不規(guī)律，不集中，所以導(dǎo)致相應(yīng)的需要更多的框支梁，而且會(huì)有更大的截面高度，就會(huì)更加突出這一現(xiàn)象，這時(shí)，總剪切力的30%甚至大于40%的剪力會(huì)由框架柱承擔(dān)。所以，在轉(zhuǎn)換層用不用平面剛性假定都上述結(jié)論都是可不影響該結(jié)論的成功建立，因?yàn)榻M集構(gòu)件剛度矩陣的方法是一樣的。

現(xiàn)在，框支短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層通常設(shè)置在二、三層，有的還運(yùn)用2/3總高度處的高位轉(zhuǎn)換層，而不是將其設(shè)置在底層?？蚣芰焊叨纫约爸箓?cè)剛度都比轉(zhuǎn)換層框支梁小很多的框剪結(jié)構(gòu)通常設(shè)置在轉(zhuǎn)換層以下。這時(shí)，水平剪力和扭矩就會(huì)沿轉(zhuǎn)換層框架柱傳遞下來，并且會(huì)在相鄰層墻柱間形成再一次分配，最后集中于核心筒。此時(shí)，轉(zhuǎn)換層的框架的內(nèi)力尤其會(huì)對(duì)與其緊鄰的下一層形成一定的擴(kuò)散影響作用，因?yàn)檫@時(shí)底層框架柱所承擔(dān)的剪力已不到總剪力的10%。同時(shí)，由于框架梁剛度的降低提高了樓板對(duì)柱的抗側(cè)剛度，樓板進(jìn)一步分配了水平剪力。在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，也要根據(jù)情況適當(dāng)增加和轉(zhuǎn)換相鄰層的樓板的厚度，再對(duì)其平面內(nèi)內(nèi)力與變形進(jìn)行計(jì)算。然后依照彈性樓板進(jìn)行假定。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)該結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)框支剪力墻在以上三方面的不同，重點(diǎn)從短肢剪力墻在框支梁上支承方式的變化對(duì)框支梁、框支柱中內(nèi)力分布的影響進(jìn)行了論述，點(diǎn)明這一結(jié)構(gòu)形式和普通框支剪力墻存在著根本的不同，并從理論上對(duì)不同之處形成原因及可能造成的問題進(jìn)行了分析。

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收稿日期：2018-3-10