框架-剪力墻的應(yīng)用與設(shè)計(jì)

郭培成

(廈門(mén)大學(xué), 福建廈門(mén) 361000)

目前高層建筑的結(jié)構(gòu)形式主要包括框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-核心筒、筒中筒、框筒、束筒、桁架筒結(jié)構(gòu)等。近年來(lái)隨著超高層數(shù)量越來(lái)越多，高度不斷在上升，因此也出現(xiàn)了一些新的高層結(jié)構(gòu)體系。如深圳平安金融中心，主體結(jié)構(gòu)高度597 m，巨型框架-核心筒-伸臂桁架結(jié)構(gòu)形式；上海中心大廈，主體結(jié)構(gòu)高度574.6 m，巨型空間框架-核心筒-伸臂桁架結(jié)構(gòu)形式。目前對(duì)于80～110 m的高層住宅或公共建筑，大多數(shù)采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)或剪力墻結(jié)構(gòu)。

框架結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)空間分隔靈活、自重輕、有利于抗震、節(jié)省材料，采用現(xiàn)澆混凝土框架時(shí)結(jié)構(gòu)的整體性較好、延性可以充分發(fā)揮；其缺點(diǎn)是由于框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度較小，整體抗側(cè)移能力較低(水平位移變形較大，不易滿足正常極限狀態(tài)的要求)，不宜應(yīng)用于高度較高的建筑。剪力墻結(jié)構(gòu)主要優(yōu)點(diǎn)整體性好、側(cè)向剛度大、在水平力作用下側(cè)移小，由于沒(méi)有梁、柱等外露與凸出，建筑物內(nèi)部比較平整、美觀；其缺點(diǎn)不能提供大空間、布置不靈活，整體結(jié)構(gòu)延性較框架結(jié)構(gòu)差?？蚣?剪力墻結(jié)構(gòu)是由框架柱和剪力墻構(gòu)件組成，共同整體承擔(dān)水平風(fēng)荷載和地震作用，該結(jié)構(gòu)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(lèi)、住宅樓、酒店等高層建筑中應(yīng)用相當(dāng)普遍。框架-剪力墻結(jié)構(gòu)正好彌補(bǔ)上述兩種結(jié)構(gòu)體系的缺點(diǎn)與不足，充分發(fā)揮了它們的優(yōu)點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)的底部若干樓層，剪力墻的位移較小，剪力墻承受大部分水平力；上部樓層則相反，剪力墻位移越來(lái)越大，框架拉剪力墻按剪切型曲線變形。在20世紀(jì)最早的框架-剪力墻建筑結(jié)構(gòu)是18層的北京飯店和26層的上海賓館。

1 工程概況

某居民住宅樓,位于城市郊區(qū)，地下室1層,層高為4.5 m，地上26層, 地上1層結(jié)構(gòu)層高為5.5 m，2～26層結(jié)構(gòu)層高均為3 m，結(jié)構(gòu)總高度80.5 m,建筑總高度82.6 m，總建筑面積12 235 m2。鑒于該高度，參考JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》3.3.1條，最大適用高度120 m?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15g,地震分組第二組,基本風(fēng)壓0.55(該結(jié)構(gòu)高度超過(guò)60 m，屬于對(duì)風(fēng)荷載敏感，在計(jì)算承載力極限狀態(tài)時(shí)時(shí)基本風(fēng)壓應(yīng)放大1.1倍，對(duì)于位移計(jì)算基本風(fēng)壓仍保持不變), 結(jié)構(gòu)體型系數(shù)1.4，基本雪壓0.25,建筑物抗震設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi)，場(chǎng)地類(lèi)別二類(lèi)，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50 a，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，剪力墻和框架抗震等級(jí)均為二級(jí)。本結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)整體計(jì)算，采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院編制的PKPM系列SATWE (V3.1.6版)。本工程結(jié)構(gòu)布置圖如圖1所示：關(guān)于7軸線對(duì)稱(chēng)。

圖1 結(jié)構(gòu)布置

2 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理

2.1 協(xié)同工作原理

協(xié)同工作有兩種計(jì)算模型假定，分別是鉸接體系和剛接體系。鉸接體系是指墻肢之間沒(méi)有連梁或者連梁剛度很小，墻肢與框架柱之間也沒(méi)有連系梁；剛接體系是指墻肢之間有連梁或者墻肢與框架柱之間有連系梁相連，這些連系梁對(duì)墻肢和框架柱會(huì)起作用。由于本工程存在連系梁與連梁，并且梁的剛度較大，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)采用剛接體系。

2.2 內(nèi)力分配原則

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)是有兩種變形性質(zhì)不同的抗側(cè)力單元組成，通過(guò)剛性樓板協(xié)調(diào)變形連接起來(lái)共同承擔(dān)所有荷載。在豎向荷載作用下，按照各自的承載面積計(jì)算每榀框架柱與剪力墻內(nèi)力；在水平風(fēng)荷載或水平地震作用下，不能單純依據(jù)抗側(cè)剛度進(jìn)行分配，而是必須采用協(xié)同工作方法得到側(cè)移和各自的水平剪力及內(nèi)力。

3 計(jì)算指標(biāo)

3.1 周期比計(jì)算分析

結(jié)構(gòu)自振周期(基本周期)表示結(jié)構(gòu)自身的性能。在地震作用下，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)反應(yīng)越大或者扭轉(zhuǎn)周期越大，越不利于結(jié)構(gòu)整體抗震。因此規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動(dòng)為主的第一自振周期的比值進(jìn)行了規(guī)定限制，一般情況下，高層建筑結(jié)構(gòu)規(guī)定該比值不應(yīng)大于0.9，其比值越小，扭轉(zhuǎn)作用就越小。周期比與位移比都是控制結(jié)構(gòu)平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的，往往在處理過(guò)程中，兩者可以共同來(lái)修改。本工程位移比最大值在Y方向，最大值為1.31；周期比0.88，盡管周期比未超過(guò)允許值，但該值越大反應(yīng)扭轉(zhuǎn)效果越大。通過(guò)調(diào)整四周外側(cè)Y方向剪力墻的剛度以及內(nèi)部豎向抗側(cè)力構(gòu)件的剛度布置，最終位移比最大值降到1.23；第一振型、第二振型為平動(dòng)，第三振型為扭轉(zhuǎn)，周期比為0.77，滿足合理的指標(biāo)結(jié)果，結(jié)構(gòu)整體抗扭效果明顯得到改善。

3.2 地震作用下傾覆力矩計(jì)算分析

JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，在抗震設(shè)計(jì)的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)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，確定相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法。當(dāng)框架部分承受的地震傾覆力矩不大于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的10 %時(shí)，表明框架柱的剛度太小，無(wú)法實(shí)現(xiàn)框架與剪力墻的協(xié)同工作，按剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)；當(dāng)框架部分承受的地震傾覆力矩大于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的10 %但不大于50 %時(shí)，按框架-剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，大多數(shù)情況該指標(biāo)建議控制在20 %～30 %左右，過(guò)低過(guò)高，都會(huì)影響到兩者的剛度分配、剪力分配以及協(xié)同工作的效果。本工程在初步計(jì)算中，框架部分在地震作用下，底部?jī)A覆力矩在Y方向占有比例為37 %，X方向26 %(基本符合一般工程的要求)，處理的方向結(jié)合周期比、位移比指標(biāo)控制共同完成。加大外側(cè)Y方向剪力墻的剛度，同時(shí)控制Y方向框架柱的截面大小，該指標(biāo)經(jīng)過(guò)計(jì)算處理，最后結(jié)果Y方向框架柱傾覆力矩占有比例下降到25 %，滿足工程要求。

3.3 地震作用下剪力分配

抗震設(shè)計(jì)時(shí)，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的各層框架總剪力應(yīng)符合下列規(guī)定：對(duì)應(yīng)于地震作用標(biāo)準(zhǔn)值且未經(jīng)調(diào)整的各層(或某一段內(nèi)各層)框架承擔(dān)的地震總剪力不小于底部總剪力的20 %；若不滿足要求，則各層框架總剪力應(yīng)取底部總剪力的20 %與1.5地震作用標(biāo)準(zhǔn)值且未經(jīng)調(diào)整的各層框架承擔(dān)的地震總剪力中的最大值二者中的較小值。一般情況下，如果合理的設(shè)計(jì)框架與剪力墻的剛度，框架的剪力分配大致會(huì)在15 %～30 %之間，滿足工程的實(shí)際要求。本工程在初步計(jì)算中，X和Y方向均在35 %左右，經(jīng)過(guò)調(diào)整剪力墻與框架柱的位置和剛度，最后兩個(gè)方向占有的剪力比例都在25 %左右，基本符合設(shè)計(jì)要求。

3.4 連梁內(nèi)力、墻肢內(nèi)力計(jì)算分析

連梁設(shè)計(jì)是在建筑物遇到地震發(fā)生時(shí)，連梁會(huì)將地震力進(jìn)行分配化解，先受力而屈服，剪力墻的墻肢再受力屈服，這樣通過(guò)連梁的設(shè)計(jì)就達(dá)到了強(qiáng)墻弱梁、強(qiáng)剪弱彎的目的。按照多道設(shè)防的要求，剪力墻體是第一道防線，在基本抗震設(shè)防地震、罕遇地震下先于框架破壞。連梁的設(shè)計(jì)主要取決于剪力墻的洞口寬度和高度，控制結(jié)構(gòu)中裂縫的出現(xiàn)，就要適當(dāng)折減連梁的剛度，在不影響承受豎向承載荷載能力的前提下，允許連梁適當(dāng)開(kāi)裂，即對(duì)連梁剛度進(jìn)行折減， 折減系數(shù)不宜小于0.5。由于連梁截面受彎、剪力較大，截面設(shè)計(jì)很困難，尤其跨高比較小的情況下，很難設(shè)計(jì)成延性構(gòu)件。在工程上采用雙層梁，即300 mm×1 200 mm截面的連梁設(shè)計(jì)成兩個(gè)300 mm×600 mm，上下層分布，中間設(shè)置50 mm或100 mm間隙。這樣不僅有利于連梁不易出現(xiàn)受力過(guò)大，而且有效改善其延性和耗能。當(dāng)雙肢剪力墻設(shè)計(jì)過(guò)程中，一邊墻肢出小偏心受拉時(shí)，則該墻肢可能會(huì)出現(xiàn)水平通縫而嚴(yán)重影響其抗剪能力和抗側(cè)剛度。由于水平和豎向荷載產(chǎn)生的剪力將全部轉(zhuǎn)移到另一個(gè)墻肢而導(dǎo)致另一墻肢抗剪承載力不足，剪力會(huì)在墻肢中重新進(jìn)行內(nèi)力分配，因此，墻肢的彎矩、剪力設(shè)計(jì)值應(yīng)相應(yīng)的增大而影響到其延性。

4 結(jié)論

(1)剪力墻構(gòu)件設(shè)置應(yīng)在豎向一直保持連續(xù)，避免中斷，出現(xiàn)剛度不連續(xù)；框架構(gòu)件數(shù)量較多，為了保證結(jié)構(gòu)的整體性、安全性，構(gòu)件間的連接必須滿足相關(guān)構(gòu)造要求。

(2)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，合理布置兩種不同豎向構(gòu)件數(shù)量及位置，對(duì)剪力分配、結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)、地震作用下傾覆力矩分配都會(huì)起到良好的效果。

(3)控制連梁與剪力墻的相對(duì)剛度，較好地實(shí)現(xiàn)強(qiáng)墻肢弱連梁、強(qiáng)剪弱彎原則。注意雙層連梁的處理以及控制好連梁的跨高比。