框架－剪力墻結(jié)構(gòu)對地震效應(yīng)影響分析

劉佩瑤

摘要：框架結(jié)構(gòu)中加設(shè)適量的剪力墻，使框架與剪力墻通過剛性樓板連接成整體，組成框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)成為一種適用性較廣的結(jié)構(gòu)體系。既因其框架部分能構(gòu)成自由靈活的使用空間，又極易滿足不同建筑功能的要求。剪力墻具有相當(dāng)大的剛度，這樣使框剪結(jié)構(gòu)具有較強的抗震能力或抗水平荷載作用的能力，能大大減少結(jié)構(gòu)本身側(cè)移，并避免填充墻在地震時發(fā)生破壞或倒塌。本論述對框架-剪力墻在地震作用下，引入抗震剪力因子數(shù) K，分析框架-剪力墻結(jié)構(gòu)在 X 方向和 Y 方向地震作用下，根據(jù)結(jié)構(gòu)對地震作用響應(yīng)的結(jié)果總結(jié)，發(fā)現(xiàn)增設(shè)部分剪力墻的結(jié)構(gòu)體系，抗震性能發(fā)生了明顯提高，結(jié)構(gòu)安全度相比框架結(jié)構(gòu)更適合高烈度地區(qū)。因此，在前人發(fā)現(xiàn)剪力墻結(jié)構(gòu)在地震效應(yīng)下具有良好的抗震性能的基礎(chǔ)上，本論述在此基礎(chǔ)上延伸量化分析。

關(guān)鍵詞：框架-剪力墻；地震作用；抗震剪力因子數(shù)；位移

中圖分類號：TU352??????????????????????????? 文獻標志碼：A

0引言

中國處在兩大地震帶－環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，由于太平洋、印度和菲律賓海板塊的擠壓，使地震斷裂帶變得格外活躍，從而給建筑物帶來了極大損壞。因此，如何讓建筑物提高抵抗地震的能力成為結(jié)構(gòu)設(shè)計非常重要的考量因素。

我國的建筑抗震原理和抗震設(shè)防要求分為三個水準，兩個階段。這就意味著，在不同頻度和強度下，建筑物必須具備不同的抗震能力。經(jīng)多項研究表明框剪結(jié)構(gòu)具有承受強烈地震，裂而不倒的良好結(jié)構(gòu)性能。本論述基于以上思考，針對框架結(jié)構(gòu)與框剪結(jié)構(gòu)在地震作用下的影響，筆者在此做一些分析。

1結(jié)構(gòu)體系分析

1.1框架結(jié)構(gòu)體系

框架結(jié)構(gòu)是一種由梁柱構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)體系。既承受豎向荷載，也能承受水平荷載，這種結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點在于它可以靈活地布置建筑物的平面，并且可以根據(jù)需要將建筑物分割成小房間。外墻通常采用輕質(zhì)填充材料，并且建筑立面容易處理。在一定條件下，框架結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，但是在高層建筑中，由于框架結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較低，水平荷載作用會導(dǎo)致非結(jié)構(gòu)構(gòu)件受到嚴重破壞，甚至主體結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點也會受到損壞。

1.2剪力墻結(jié)構(gòu)體系

剪力墻這種結(jié)構(gòu)體系，能夠承受豎向和水平荷載，并作為建筑物的圍護結(jié)構(gòu)和房屋分隔構(gòu)件。剪力墻具有較高的側(cè)向剛度和較小的側(cè)向變形，同時也具有良好的延性。然而，它也存在一些缺點，比如結(jié)構(gòu)自重較大，建筑平面布局受到限制，難以獲得足夠的建筑空間。

1.3框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系

框架剪力墻結(jié)構(gòu)是一種特殊的建筑形式，由框架結(jié)構(gòu)和一定數(shù)量的剪力墻組成?？蚣芫哂休^低的側(cè)移剛度和較大的變形，但它的平面布置靈活，可以在較大空間內(nèi)實現(xiàn)更多功能。剪力墻結(jié)構(gòu)具有出色的剛度和水平位移小的優(yōu)勢，但由于空間受到限制，使它的應(yīng)用范圍受到了一定限制。因此，將這兩種結(jié)構(gòu)體系結(jié)合起來，可以創(chuàng)造出一種受力性能合理的結(jié)構(gòu)體系。

2工程研究背景及工程模型建立

2.1工程背景

某工程為地上八層（高層公共建筑），長度65.10 m，寬度19.90 m，高寬比：1.48，一層樓層高度3.90 m，二層～八層樓層高度均為3.60 m，室內(nèi)外高差0.30 m，整個房屋建筑高度29.40 m，如圖1所示。

2.2主要參數(shù)

剪力墻厚度：外墻厚300 mm；內(nèi)墻厚200 mm；模型樓層混凝土強度等級見表1所列。

2.3荷載

樓面荷載和屋面恒荷載主要包括自重，樓面裝修做法及管線荷載，活荷載按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的規(guī)定取用。

2.4地震效應(yīng)選用

抗震設(shè)防有關(guān)參數(shù)：抗震設(shè)防烈度，7度；設(shè)計地震加速度，0.15 g；設(shè)計地震分組，三組；水平地震影響系數(shù)最大值：多遇地震0.12，罕遇地震0.72；結(jié)構(gòu)阻尼比0.05，場地類別Ⅱ類，特征周期值0.45 s。

基本風(fēng)壓：0.30 KN/m2（50 a 一遇）；基本雪壓：0.20 KN/m2；地面粗糙度：C 類。

抗震等級：框架三級，剪力墻二級。

該算例結(jié)構(gòu)在兩個主軸方向上分別考慮了水平地震作用，分析時考慮了偶然偏心的影響，分析采用振型分解反應(yīng)譜法。

2.5模型建立

采用 PKPM 分別建立結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示，框架模型 A1以及框剪模型 A2，框剪結(jié)構(gòu)中剪力墻的布局如圖2（ A2）所示（由于功能需求，主要集中在電梯間、樓梯間和建筑周圍）。根據(jù)計算，在規(guī)定的水平力作用下，框剪結(jié)構(gòu)的底層框架部分承受的地震傾覆力矩占結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的30%，因此它是標準的框架－剪力墻結(jié)構(gòu)。

3數(shù)據(jù)分析

選取三個框架柱及結(jié)構(gòu)整體進行分析。

3.1框架結(jié)構(gòu)抗震影響分析

依據(jù)前文框架模型分析水平地震作用下豎向構(gòu)件的地震剪力以及框架總剪力，見表2～表4所列、如圖3～圖5所示。

3.1.2? Y 向分析結(jié)果

3.1.3 框架層間剪力分析結(jié)果

（1）從圖3、圖4可知，框架結(jié)構(gòu)中框柱不論 X 向、Y 向地震作用下隨著樓層的增加剪力趨于逐漸減小變化趨勢；（2）從圖5可知，地震作用樓層層間剪力，隨著樓層的增加剪力趨于逐漸減小變化趨勢；綜上不論單個豎向構(gòu)件剪力或是樓層層間剪力，它們變化趨勢吻合，越靠近結(jié)構(gòu)底層所受樓層間剪力越大，底層每個框柱分配到的剪力也就越大；（3）框柱3，一層的剪力小于二層剪力，分析得出一層框柱3相鄰跨開大洞，Y 向沒有框梁和樓蓋的聯(lián)系，使構(gòu)件周邊剛度變小，樓層層間剪力分配到此框柱時，剪力是小的。

3.2框架－剪力墻結(jié)構(gòu)抗震影響分析

依據(jù)前文框剪模型分析水平地震作用下豎向構(gòu)件的地震剪力以及框剪結(jié)構(gòu)中框架部分、剪力墻部分剪力，見表5～表7所列、如圖6～圖8所示。

3.2.1? X 向分析結(jié)果

3.2.2? Y 向分析結(jié)果

3.2.3 框剪層間剪力分析結(jié)果

（1）從圖6、圖7可知，框剪結(jié)構(gòu)中框柱受 X 方向、Y 方向地震作用時，結(jié)構(gòu)底層剪力增大后，隨著樓層增加剪力趨于平穩(wěn)，剪力變化不大；（2）從圖8可知，當(dāng)在框架結(jié)構(gòu)中增加部分剪力墻時，各樓層層間剪力主要由兩部分組成，一部分為框架承擔(dān)的樓層剪力，一部分為剪力墻承擔(dān)的樓層剪力。結(jié)構(gòu)下部剪力墻明顯承擔(dān)的剪力較多，隨著樓層的增加，剪力墻和框架部分所承擔(dān)的剪力差距逐步縮小。

4抗震剪力因子數(shù)K

為便于研究，引入剪力系數(shù) K，采用框剪結(jié)構(gòu)中框柱剪力與框架結(jié)構(gòu)中框柱剪力比值。如公式（1）：

式中：VKJ 框剪結(jié)構(gòu)框柱地震作用剪力；VK 框架結(jié)構(gòu)框柱地震作用剪力。

具體分析見表8～表9所列、如圖9～圖10所示。

4.1 X 向抗震剪力因子數(shù)

4.2向抗震剪力因子數(shù)

由圖9、圖10可知，地震作用下框剪結(jié)構(gòu)中框柱剪力比框架結(jié)構(gòu)中框柱剪力減少近40%～60%，而降低的這部分剪力主要由剪力墻承受。結(jié)構(gòu)在兩個主軸方向的剛度和承載力相差也不大，因此這種雙重抗側(cè)力體系結(jié)構(gòu)，在抵抗地震作用時結(jié)構(gòu)安全度也是很高的。

5位移

（1）由圖11可知，地震作用下樓層層間位移，框架結(jié)構(gòu)在下部位移大，隨著樓層增加，位移呈現(xiàn)增大趨勢，結(jié)構(gòu)上部位移逐漸減??；而框剪結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)下部位移較小，隨樓層增加，位移逐漸增大且趨于平緩，結(jié)構(gòu)上部位移有減小趨勢；（2）從分析得出框剪的位移比框架的位移小，框剪在協(xié)同工作時，由表10可以看出，在水平荷載作用下，這種框剪型變形的協(xié)調(diào)促使兩者之間產(chǎn)生相互制約的力，結(jié)構(gòu)下部樓層因剪力墻變形小，它限制了框架變形，承受了大部分剪力，從而減小了框架的層間位移。結(jié)構(gòu)上部幾層剪力墻變形逐漸越大，而框架的變形逐漸變小，除了承受原有的剪力外，框架還要承擔(dān)拉回剪力墻額外的剪力。由于框架剪力墻結(jié)構(gòu)的變形特性，使結(jié)構(gòu)下部的變形比框架結(jié)構(gòu)小，而上部的變形則要比剪力墻結(jié)構(gòu)小，這樣一來，結(jié)構(gòu)各層的變形就變得更加均勻，比單獨某種結(jié)構(gòu)的變形特性更加優(yōu)異。

6結(jié)論

綜上所述，通過研究主要結(jié)論歸納為以下幾點：

（1）框架結(jié)構(gòu)在地震作用下剪切影響隨高度減小，整體變形曲線以剪切變形為主。從框架結(jié)構(gòu)圖表得知，框架結(jié)構(gòu)必須能承受縱橫二向的水平荷載，這就要求縱橫二向的框架必須具有足夠的側(cè)向剛度和水平承載力。按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，混凝土框架應(yīng)設(shè)計成雙向梁柱抗側(cè)力體系[1]，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計時不應(yīng)采用單跨框架，單跨框架結(jié)構(gòu)因其結(jié)構(gòu)冗余度較低，容易產(chǎn)生震害，且震害比較嚴重[2]。

（2）在建筑物局部增設(shè)剪力墻結(jié)構(gòu)后，地震作下剪切影響在結(jié)構(gòu)下部有激增趨勢，在一定高度達到峰值后趨于平緩，整體變形曲線介于彎曲型與剪切型之間。證明框架與剪力墻之間的這種協(xié)同工作是呈現(xiàn)有利趨勢，從而有效地提高了整個結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度，并且使整體內(nèi)力分布更加趨于合理。

（3）經(jīng)過引入抗震剪力因子數(shù)，對比分析因子數(shù)趨勢，框剪結(jié)構(gòu)中的框柱地震作用影響比框架結(jié)構(gòu)減少40%～60%，證明剪力墻發(fā)揮具體的作用，承擔(dān)了地震作用引起的大部分剪力，更加說明了剪力墻相較于框架，具有平面內(nèi)剛度較大、強度高及整體性好的優(yōu)點，所以該種局部設(shè)置剪力墻的結(jié)構(gòu)體系的抗震性能是顯著的，也說明基于結(jié)構(gòu)本身更優(yōu)的局部剪力墻設(shè)置是行之有效的。

（4）根據(jù)位移曲線分析結(jié)果，框架結(jié)構(gòu)隨著樓層增加層間位移變大，結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度減小，使非結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震時更加容易破壞，從而也證明了結(jié)構(gòu)體系適用于多層及高度有限的高層建筑，這也是限制框架結(jié)構(gòu)適用高度的原因。反之通過在框架結(jié)構(gòu)中局部增設(shè)剪力墻，提高結(jié)構(gòu)局部剛度，來影響結(jié)構(gòu)整體的性能，可在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計思路中，形成主次分明的抗震邏輯，在重點區(qū)域及結(jié)構(gòu)抗震的薄弱面設(shè)置強有力的抗力結(jié)構(gòu)，在地震作用時能夠與之相適應(yīng)的有效抵抗地震。

（5）由于在結(jié)構(gòu)設(shè)計中建筑物抗震多道防線的設(shè)計概念早已形成，當(dāng)建筑物遭受地震影響時，僅設(shè)置一道抗震防線，這道防線如果沖破，將會導(dǎo)致建筑物倒塌。一旦建立起第二道甚至第三道抗震屏障，則可以較好地確保建筑物在地震影響下的安全性。顯然結(jié)構(gòu)設(shè)計抗震的優(yōu)越性和合理性自然凸顯出來。

結(jié)合抗震的重要性，比較分析兩種結(jié)構(gòu)體系的數(shù)據(jù)結(jié)果。雖然框架結(jié)構(gòu)和框剪結(jié)構(gòu)在平面布置都具有靈活性，具有較大空間等特點，但分析兩種結(jié)構(gòu)體系層間剪力圖表、層間位移表后發(fā)現(xiàn)，在建筑高度一定的情況下，框剪結(jié)構(gòu)抵抗地震剪力比框架高出30%，這個優(yōu)勢非常明顯，顯然框剪結(jié)構(gòu)層間剪力增大的情況下，層間位移反而減小?？梢哉J為框剪結(jié)構(gòu)整體側(cè)移剛度顯著增強。進而說明同等情形下，框剪結(jié)構(gòu)中框柱的抗震表現(xiàn)需求明顯下降；從而提供了可優(yōu)化的空間。

（6）基于本論述分析，對于剪力墻結(jié)構(gòu)體系筆者認為下一步對于建筑物平面豎向規(guī)則性、高寬比等方面進一步展開研究，并深化剪力墻結(jié)構(gòu)的研究。

參考文獻：

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