淺談框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計

張桂艷

遼寧省沈陽鼎信結(jié)構(gòu)設(shè)計事務(wù)所有限公司 遼寧 沈陽 110000

1 序言

框剪結(jié)構(gòu)是由框架和剪力墻組成的[1]，有兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。有平面布置靈活，空間大，側(cè)向剛度較大的優(yōu)點(diǎn)，,廣泛用于辦公類的高層建筑?？蚣苤胁贾眉袅Φ亩嗌贈Q定了規(guī)定水平力作用下結(jié)構(gòu)底層的傾覆力矩值，并以決定結(jié)構(gòu)體系及計算原則。框剪結(jié)構(gòu)中的框架及剪力墻需要滿足作為框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)中的一些基本要求外，還得滿足作為框剪結(jié)構(gòu)中的一些特殊要求。

2 框剪結(jié)構(gòu)布置及特點(diǎn)

2.1 結(jié)構(gòu)布置

縱向和橫向剪力墻宜形成T,L,[形等形式[2]，且剪力墻的兩側(cè)宜設(shè)置端柱，從而形成翼緣，以便于提高剪力墻的強(qiáng)度和剛度。框架-剪力墻抗震構(gòu)造措施具體見《抗規(guī)》第6.5節(jié)并且還應(yīng)滿足第6.3節(jié)及6.4節(jié)的有關(guān)要求。

2.2 組成形式

a.單片式的剪力墻即框架與剪力墻是分開布置的(連肢墻或者較小井筒﹑單片墻)；b.帶邊框的剪力墻（框架結(jié)構(gòu)里嵌入剪力墻）[2]；c. 單片框架和剪力墻（在單片抗側(cè)力結(jié)構(gòu)內(nèi)連續(xù)分別布置剪力墻和框架）[2]；d.混合形式的剪力墻[2]（a+b+c即以上兩種或者三種混合）[2-3]。

2.3 受力特點(diǎn)

(1)變形：框剪結(jié)構(gòu)中，剪力墻主要承受水平荷載（風(fēng)荷載和地震力），其建筑高度和位移關(guān)系如圖1; 在水平力作用下，剪力墻的變形為彎曲型，框架變形為剪切型。由于框架和剪力墻的受力性能不同，則需要借助樓板來工作。在樓板平面內(nèi)剛性假定前提下，框架及剪力墻在某一高度，某一平面內(nèi)必有相同的位移，使得框剪結(jié)構(gòu)變形為彎剪型形，呈現(xiàn)反S曲線。剪力墻在結(jié)構(gòu)下部位移增長得慢，在上部增長較得快，框架則與之相反。在框剪結(jié)構(gòu)的下部，框架的變形被剪力墻制約著，而減少框架在底部的層間位移角；而上部，框架又制約剪力墻的變形，減小了剪力墻的頂點(diǎn)側(cè)移及頂部的最大層間位移角。

圖1 建筑物高度H與位移之間的關(guān)系

(2)水平力：在水平力的作用下，框架和剪力墻頂部的水平剪力均不等于0。

(3)抗震性能：小震，水平力主要由剪力墻承擔(dān)；中震，剪力墻與框架協(xié)同作用；大震，剪力墻主要承受大部分的水平力，作為第一道抗震防線；而隨著剪力墻出現(xiàn)塑性變形后，框架為保證結(jié)構(gòu)的延性和穩(wěn)定，成為了第二道抗震防線。A級高層在相同的設(shè)防烈度和相同的結(jié)構(gòu)高度下，根據(jù)《高規(guī)》表3.9.3，框剪結(jié)構(gòu)中框架的抗震等級要求比純框架結(jié)構(gòu)相對低一些，而剪力墻抗震等級比純剪力墻結(jié)構(gòu)相對高些。

3 框剪結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法

傾覆力矩：根據(jù)《高規(guī)》第8.1.3條， 框剪結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計為在水平地震力作用下，應(yīng)由在結(jié)構(gòu)底層中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來確定相應(yīng)的設(shè)計方法，并應(yīng)符合下列規(guī)定。

框架部分承擔(dān)的地震傾覆力矩小于等于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的10%時，按剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，其中的框架部分按框剪結(jié)構(gòu)的框架設(shè)計；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%但是不大于50%時，按框剪結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計；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50%但是不大于80%時，按框剪結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計,其最大適用高度﹑框架部分的抗震等級和軸壓比限值見按表1；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80%時，按框剪結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計,其最大適用高度及框架部分的抗震等級和軸壓比限值見按表1。當(dāng)結(jié)構(gòu)的層間位移角不能滿足框剪結(jié)構(gòu)的要求時，可進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震性能分析和論證[2]。

表1 框架傾覆力矩Mf/M0與結(jié)構(gòu)體系

【例1】某辦公樓為A類框剪結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為7度，地震加速度為0.1g,Ⅱ類場地，房屋高度為H=50m的丙類建筑。框架承受的地震傾覆力矩為Mf=70%，第五層的柱子為700mmX700mm,混凝土為C30，fc=14.3N/mm2,水平風(fēng)荷載，水平地震作用和重力代表值作用下的軸力標(biāo)準(zhǔn)值分別為：Nw=1100kn,Nek=550kn,Ngk=3500kn，請確定該柱子的軸壓比，并求出該房屋最大的適用高度。（剪跨比λ＞2）

1.軸壓比：根據(jù)題中已知條件：抗震設(shè)防烈度為7度，加速度為0.1g，A級，丙類，剪跨比λ＞2根據(jù)《高規(guī)》表5.6.4規(guī)定，H=50m＜60m，可不考慮風(fēng)荷載；《高規(guī)》表3.9.3規(guī)定剪力墻的抗震等級為二級。

根據(jù)《高規(guī)》8.1.3條第3款規(guī)定，本題中框架的傾覆力矩比為70%大于50%，則框架柱的抗震等級按框架結(jié)構(gòu)中框架柱子的抗震等級取，根據(jù)《高規(guī)》表 3.9.3查出，該柱子的抗震等級為二級。

2.最大適用高度：根據(jù)《高規(guī)》8.1.3條第3款規(guī)定：

0.2V0的調(diào)整：抗震設(shè)計時根據(jù)《高規(guī)》第8.1.4條，在水平地震力作用下，框剪結(jié)構(gòu)中各層框架總剪。

力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)符合下列要求：

當(dāng)樓層滿足 Vf大于等于0.2V0時，框架總剪力標(biāo)準(zhǔn)值不必調(diào)整。

框剪結(jié)構(gòu)中各層框架總剪力（即第i層框架柱剪力之和）Vf＜0.2V0時，取下列Vf =0.2V0與Vf=1.5Vf,ma兩式的較小值采用，但應(yīng)滿足樓層最小地震剪力系數(shù)要求[2]。

（1）計算各層框架內(nèi)力的增大系數(shù)：框架內(nèi)力的增大系數(shù)可取下列兩式中的較小值[3]。

λi--第i層框架的剪力增大系數(shù)；Vfi——未經(jīng)調(diào)整的第i層框架部分的樓層總剪力。

V0---在水平地震作用下，對框架柱數(shù)量基本不變的結(jié)構(gòu)，為結(jié)構(gòu)底層總剪力標(biāo)準(zhǔn)值；對框架柱數(shù)量分段有規(guī)律變化的結(jié)構(gòu)，應(yīng)取每段底層結(jié)構(gòu)的總剪力標(biāo)準(zhǔn)值[1-2]。

Vf---水平地震力作用下，未經(jīng)調(diào)整的各層（或某一段內(nèi)各層）框架承擔(dān)的地震總剪力標(biāo)準(zhǔn)值。

Vf，max--在水平地震力作用下，未經(jīng)調(diào)整的各層框架承擔(dān)的地震總剪力標(biāo)準(zhǔn)值中的最大值（對框架柱數(shù)量基本不變的結(jié)構(gòu)）；對框架柱數(shù)量沿著建筑高度分段有規(guī)律變化的結(jié)構(gòu)應(yīng)取每段中對應(yīng)于未經(jīng)調(diào)整的各層框架承擔(dān)的地震總剪力標(biāo)準(zhǔn)值中的最大值[1-2]。

(2)在地震作用下，框架柱的軸力（標(biāo)準(zhǔn)值）不予調(diào)整。各層框架所承擔(dān)的地震總剪力按3.2.2規(guī)取，同時按框架內(nèi)力的增大系數(shù)來調(diào)整每根框架柱和與之相連框架梁端部彎矩和剪力標(biāo)準(zhǔn)值。

(3)在滿足《高規(guī)》樓層最小地震剪力系數(shù)前提下，按振型分解反應(yīng)譜法計算地震作用時，增大系數(shù)的整可在振型組合之后。

[例2]1.某13層鋼筋混凝土框剪結(jié)構(gòu)，房屋高52m，抗震設(shè)防烈度為8度，框架抗震等級為二級，剪力墻為一級。該結(jié)構(gòu)框架柱子數(shù)量各層基本不變，結(jié)構(gòu)底層的地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的總剪力為V0=15560kn，某樓層框架承受的地震總剪力Vf=1750KN（未經(jīng)調(diào)整的）,在結(jié)構(gòu)13層中，框架的地震總剪力的最大值（每層）為Vf,max=2650kn（未經(jīng)調(diào)整的）。該樓層中的一根柱子的內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值為：彎矩 M=±305kn.m ,剪力V=±95kn，N=±1050kn ，請確定，在水平地震力的作用下，該柱子的內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值M’,V’,N’(剪重比滿足《高規(guī)》要求)。

根據(jù)《高規(guī)》8.1.4條第一款確定：

Vf=1750kn ＜0.2V0=0.2X15560=3112kn 所以該樓層的地震作用標(biāo)準(zhǔn)值需要調(diào)整，調(diào)整后的總剪力為Vf={0.2V0，1.5Vf,max}min=3112kn,調(diào)整系數(shù)λ =3112/1750≈1.778。

根據(jù)《高規(guī)》8.4.1第2款要求，柱子的軸力不需要調(diào),調(diào)整后的柱子內(nèi)力的標(biāo)準(zhǔn)值如下：

M’=Mλ=±305X1.778≈±542kn.m;V’=Vλ=±95X1.778≈±168.91kn;N’=N=±1050kn

4 設(shè)計建議

計算及分析：

見本文表1，框剪結(jié)構(gòu)在程序計算中，在結(jié)構(gòu)底層框架部分承但的地震傾覆力矩與結(jié)構(gòu)總的地震傾覆力矩在規(guī)定的水平力作用下的比值各不相同，結(jié)構(gòu)性能也存在著不小的差別，但在模型計算時，均應(yīng)按框剪結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析。同時在設(shè)計時，按著此比值來確定其相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施和結(jié)構(gòu)的適用高度。

強(qiáng)框架的框剪結(jié)構(gòu)：（框架部分承受的地震傾覆力矩在50%~80%之間）。

（1）抗震等級﹑軸壓比及高度：見本文表1所列

（2）防震縫：根據(jù)《抗震規(guī)范》要求，強(qiáng)框架的框剪結(jié)構(gòu)防震縫寬度，建議按框架結(jié)構(gòu)取。少量剪力的框架結(jié)構(gòu):（框架部分承受的地震傾覆力矩大于80%時）。

（3）計算原則：對這類框架結(jié)構(gòu)按純框架結(jié)構(gòu)和框剪結(jié)構(gòu)分別計算，包絡(luò)設(shè)計。

（4）抗震等級﹑軸壓比及高度：見本文表1所列。

（5）應(yīng)用：布置少量的剪力墻，使結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角滿足限值要求，同時改善框架的抗震性能。根據(jù)《抗震規(guī)范》6.1.4條第2款要求，設(shè)防烈度為8﹑9度且?guī)в蟹勒鹂p的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋，在縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)的層高相差較大時，宜沿著房屋全高在縫的兩側(cè)各設(shè)置不少于兩道垂直于防震縫的抗撞墻?？拐饓Φ目拐鸬燃壱送蚣芙Y(jié)構(gòu)；（框架）構(gòu)件的內(nèi)力應(yīng)按不設(shè)置和設(shè)置抗撞墻兩種模型的計算，取不利值。

（6）抗震縫：對于這類結(jié)構(gòu)其抗震縫的寬度應(yīng)按框架結(jié)構(gòu)確定。

0.2V0剪力的調(diào)整：（1）在滿足《高規(guī)》樓層最小剪力系數(shù)的要求下，樓層剪力的調(diào)整是對應(yīng)于地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的單項(xiàng)內(nèi)力的調(diào)整，不同于組合內(nèi)力的調(diào)整。在有加強(qiáng)層的結(jié)構(gòu)中，加強(qiáng)層和相鄰上下層框架承擔(dān)的最大剪力除外，取其他層框架承擔(dān)的最大剪力來計算。（2）框架在地震剪力的調(diào)整時應(yīng)注意結(jié)構(gòu)的均勻性，當(dāng)結(jié)構(gòu)分段均勻變化時，可分段調(diào)整，當(dāng)結(jié)構(gòu)平面變化很大時，應(yīng)調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，滿足結(jié)構(gòu)均勻性的要求。

5 結(jié)論

（1）底層是指嵌固端所在的層,建議采用不帶地下室的絕對嵌固模型的底層框架和剪力墻的傾覆力矩來判斷。

（2）地下室框架的地震剪力可不調(diào)整。少量框架的剪力墻結(jié)構(gòu)的框架剪力也可不調(diào)整，必須調(diào)整時，應(yīng)采取相應(yīng)結(jié)構(gòu)措施。

（3）一般經(jīng)濟(jì)型框剪結(jié)構(gòu)其框架底部剪力宜滿足并接近0.2V0和1.5Vf,max二者的較小值。

（4）在設(shè)計中避免采用少量剪力墻或者少量框架的框剪結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵谠O(shè)計原則上，不確定因素很多。

（5）抗震設(shè)計時，框剪結(jié)構(gòu)中的剪力墻應(yīng)沿著兩主軸方向均勻的布置，從而形成雙向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。

（6）除個別節(jié)點(diǎn)外，框剪結(jié)構(gòu)主體構(gòu)件之間不應(yīng)采用鉸接；梁，剪力墻及框架柱三者之間的中心線宜重合。

（7）剪力墻在框剪結(jié)構(gòu)的布置宜電梯間﹑平面形狀有變化處﹑樓梯間﹑承受恒荷載比較大的部位及在建筑物的四周附近均勻布置。剪力墻與剪力墻之間的間距宜滿足《高層規(guī)范》的要求，不宜過大。

（8）在底部，單片剪力墻所承受的水平剪力不應(yīng)超過結(jié)構(gòu)總水平剪力的30%。

（9）在剪力墻中開洞時，洞口宜沿著建筑物上下對齊且貫通全高。