高烈度地區(qū)裝配式建筑框架-剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)研究

摘要：裝配式建筑框架-剪力墻結(jié)構(gòu)是一種具有良好抗震性能的結(jié)構(gòu)形式，適用于高烈度地區(qū)。在地震作用下，其結(jié)構(gòu)整體性能和構(gòu)件的抗震性能均表現(xiàn)出較好的性能，能夠有效地吸收和分散地震能量。對(duì)高烈度地區(qū)裝配式建筑框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。實(shí)例分析結(jié)果表明：工程中所測(cè)試的每層樓層的位移均小于施工允許最大樓層位移，證明高烈度地區(qū)裝配式建筑框架-剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)具有良好的抗震性能。

關(guān)鍵詞：抗剪力墻；裝配式建筑；抗震設(shè)計(jì)

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加速發(fā)展，高烈度地區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)安全性和抗震性能受到了越來(lái)越多的關(guān)注。裝配式建筑因其施工速度快、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為了現(xiàn)代建筑的主流方向。

裝配式建筑框架-剪力墻結(jié)構(gòu)是一種具有良好抗震性能的結(jié)構(gòu)形式，適用于高烈度地區(qū)。在地震作用下，其結(jié)構(gòu)整體性能和構(gòu)件的抗震性能均表現(xiàn)出較好的性能，能夠有效地吸收和分散地震能量。近年來(lái)，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)因其優(yōu)良的抗震性能和廣泛的應(yīng)用范圍，逐漸成為高烈度地區(qū)建筑結(jié)構(gòu)的首選。

地震具有隨機(jī)性和不確定性的特點(diǎn)，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)?；诖?，對(duì)高烈度地區(qū)裝配式建筑框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

本文研究成果不僅可為高烈度地區(qū)裝配式建筑框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，還可以為其他類(lèi)似地區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。同時(shí)，對(duì)于提高我國(guó)地震工程的整體水平、保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)價(jià)值[1]。

1 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)抗震關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1 裝配式建筑框架-剪力墻結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

1.1.1 框架加固的原因及流程

高烈度地區(qū)的裝配式建筑在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生多種問(wèn)題，因受原有結(jié)構(gòu)的約束，其加固難度遠(yuǎn)大于新建筑工程。在裝配式建筑中，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的連接是其中的關(guān)鍵，框架與剪力墻結(jié)構(gòu)為高烈度地區(qū)提供多變的使用區(qū)域，但其抗震能力較弱。

通常情況下，結(jié)構(gòu)的承載力是足夠的，但強(qiáng)震時(shí)，各層軸力、梁內(nèi)彎矩及整個(gè)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移很難控制，由此造成設(shè)計(jì)截面過(guò)大，甚至?xí)a(chǎn)生超筋情況的發(fā)生，這對(duì)裝配式建筑的合理使用與結(jié)構(gòu)的安全構(gòu)成了極大的威脅。因此在高烈度地區(qū)房屋建筑的抗震設(shè)計(jì)中，必須全面地考慮到不同的情況，并對(duì)框架進(jìn)行加固。其加固的具體工序步驟如圖1所示[2]。

1.1.2 框架加固要點(diǎn)

基于以上分析，本文選擇外包鋼加固法對(duì)高烈度地區(qū)的裝配式建筑的框架進(jìn)行加固。外包鋼加固法是將型鋼包裹在鋼筋的四個(gè)角或兩個(gè)側(cè)面，對(duì)鋼筋進(jìn)行加固。外包鋼對(duì)裝配式建筑的使用面積沒(méi)有太大的影響，卻能極大地改善結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度。

其加固施工步驟如下：首先，在鋼板和原混凝土構(gòu)件之間填充細(xì)石混凝土等粘結(jié)材料，形成一個(gè)共同工作整體，以確保鋼板和被加固的混凝土構(gòu)件能協(xié)同工作，同時(shí)保證良好的施工質(zhì)量。其次，對(duì)被加固框架的表面進(jìn)行相關(guān)處理，如除污和打磨，并對(duì)鋼板進(jìn)行防護(hù)處理，或者直接將鋼板包裹在被加固構(gòu)件的外側(cè)，兩者之間不填充粘結(jié)材料。最后，對(duì)柱子外包角鋼（通長(zhǎng)、連續(xù)），且在穿過(guò)各層樓板時(shí)不能斷開(kāi)，角鋼的下端延伸到基礎(chǔ)頂面，并使用環(huán)氧砂漿進(jìn)行錨固[3]。

1.1.3 抗剪連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法

抗剪連接節(jié)點(diǎn)是高烈度地區(qū)建筑施工中的重要組成部分，是確保各結(jié)構(gòu)共同工作和協(xié)調(diào)變形的關(guān)鍵部位[4]。性能良好的連接節(jié)點(diǎn)應(yīng)具備兩個(gè)條件：一是能夠有效抵御橫向剪力，二是能夠在接合面上抵御“掀起”，這就要求其自身具有一定的剛性與強(qiáng)度。

剪力節(jié)點(diǎn)傳遞由iaXrnEiRwF+Q17gi1mTbZA==一部分框架豎向分布鋼筋錯(cuò)位變形引起的彎曲，鋼筋框架中的每根鋼筋強(qiáng)度的計(jì)算公式如式（1）：

（1）

式中：d代表鋼筋的直徑，?z為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度，β代表鋼筋的橫截面面積，?x代表鋼筋的屈服強(qiáng)度。

對(duì)于裝配式建筑框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，應(yīng)在其橫向、縱向、豎向及周邊設(shè)計(jì)出可靠的節(jié)點(diǎn)連接，并使其貫穿結(jié)構(gòu)，以確保各個(gè)構(gòu)件的有效連接、固定。不允許使用僅依賴構(gòu)件之間摩擦力的節(jié)點(diǎn)連接。本文設(shè)計(jì)的樓板與鋼梁之間節(jié)點(diǎn)連接如圖2所示[5]。

1.2 框架-剪力墻構(gòu)件固定

在完成框架-剪力墻結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)之后，為使其達(dá)到抗震要求，需要將框架-剪力墻構(gòu)件進(jìn)行固定。做好框架-剪力墻的設(shè)計(jì)是防止連續(xù)倒塌的第一道防線。最大變形梁常用于檢驗(yàn)抗倒塌設(shè)計(jì)是否合理，而其受力性能用于驗(yàn)算框架-剪力墻結(jié)構(gòu)是否能夠抵抗這個(gè)水平力而不發(fā)生倒塌。

1.2.1 連梁總剪力需求測(cè)算

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的基底傾覆力矩，由連梁耦合作用形成的拉壓力偶tw與組合墻肢的抵抗矩（mc，mp）共同平衡。根據(jù)預(yù)設(shè)的基底總傾覆力矩mo，可以計(jì)算出裝配式建筑的連梁總剪力需求，其計(jì)算公式如下：

（2）

式中：Qbi代表施工建筑中第i層連梁的剪力需求。

1.2.2 每層連梁剪力需求測(cè)算

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的每層連梁剪力需求，由連梁總剪力需求和特定的分布模式確定[6]。本文采用基于層剪力分布系數(shù)αi的分布模式，來(lái)確定連梁沿框架-剪力墻結(jié)構(gòu)高度的剪力需求分布[7]。這種分布模式考慮各樓層剪力的分布情況，能夠更加準(zhǔn)確地計(jì)算連梁的剪力需求。

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)連梁的剪力需求進(jìn)行精確計(jì)算，以確保結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。每層連梁的剪力需求的計(jì)算公式如下：

（3）

式中：αi代表層剪力分布系數(shù)。

1.2.3 連梁對(duì)墻體的軸力測(cè)算

實(shí)際地震中框架-剪力墻連梁具有較高強(qiáng)度，因此連梁對(duì)墻體的軸力也要適當(dāng)增大，連梁對(duì)墻體的軸力也要按1.1倍來(lái)進(jìn)行計(jì)算。具體可以參照裝配式建筑框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的耗能梁段的有關(guān)設(shè)計(jì)條文進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2.4 按剪力屈服實(shí)現(xiàn)固定

表1所示為連梁在不同凈跨距下的變形特點(diǎn)。分析其變形特點(diǎn)可知，連梁的剪力屈服比彎曲屈服的耗能能力要大，所以框架-剪力墻構(gòu)件應(yīng)該按剪力屈服實(shí)現(xiàn)固定施工。在剪力墻中嵌入一定深度的連梁框架后，將其進(jìn)行固定，框架-剪力墻構(gòu)件的受力性能如圖3所示[8]。

2 實(shí)例應(yīng)用分析

2.1 工程概況

該市處于地震板塊交界區(qū)域，基于此需要進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。該工程地上結(jié)構(gòu)共25層，1層層高為4m，其余層高為3.5m，大廈總高度為88m，工程整體使用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。根據(jù)該工程的建筑功能需求，結(jié)合抗側(cè)移剛度的需求，在工程外圍、電梯井以及樓梯間設(shè)置剪力墻，墻體厚度為300～400mm。樓層混凝土強(qiáng)度等級(jí)如表2所示。鋼筋參數(shù)如表3所示。

2.2 施工結(jié)果與討論

根據(jù)上述工程概況，使用本文提出的高烈度地區(qū)裝配式建筑框架-剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行施工，以檢驗(yàn)該裝配式建筑抗震性能是否符合施工的抗震需求。

本次測(cè)試在Matlab軟件中進(jìn)行模擬測(cè)試，在模擬地震情況下，將對(duì)該建筑的樓層位移進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果如表4所示。

由表4測(cè)試結(jié)果可以看出，該工程中所測(cè)試的每層樓層的位移均小于施工允許最大樓層位移，因此證明高烈度地區(qū)裝配式建筑框架-剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)具有良好的抗震性能。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本文深入了解高烈度地區(qū)裝配式建筑框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能和設(shè)計(jì)方法。研究結(jié)果表明，這種結(jié)構(gòu)在地震作用下的表現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有較高的抗震性能和穩(wěn)定性。因此，建議在高烈度地區(qū)推廣和應(yīng)用裝配式建筑框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，以提高建筑的抗震能力。

本研究可為高烈度地區(qū)裝配式建筑框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。通過(guò)采用合理的計(jì)算和分析方法，可以準(zhǔn)確地評(píng)估其抗震性能。針對(duì)高烈度地區(qū)的地震特點(diǎn)，可采取有效措施進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)用多種措施來(lái)增強(qiáng)建筑的抗震性能。例如，可通過(guò)合理安排結(jié)構(gòu)布局，使建筑物的質(zhì)量中心與剛度中心相一致，以減少地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。此外，還可采用具有優(yōu)良耗能性能的剪力墻結(jié)構(gòu)，來(lái)緩解地震沖擊對(duì)建筑物的影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳健航，粱橐治，王宇生，等.高烈度區(qū)下輕型鋼框架裝配式農(nóng)村民居建筑體系研究[J].建材與裝飾，2020（6）：60-61.

[2] 趙均海，胡壹，張冬芳.裝配式復(fù)式鋼管混凝土框架—梁端連接鋼板剪力墻抗震性能試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2020，53（5）：78-88.

[3] 侯全勝，李然，田春雨，等.空腔無(wú)粗糙面SPCS裝配式剪力墻軸壓性能研究[J].建筑科學(xué)，2023，39（5）：134-142+151.

[4] 于金光，趙楚，王小軍，等.裝配式分塊連接鋼板剪力墻抗震性能研究[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)與工程技術(shù)版），2023，56（5）：542-552.

[5] 王浩祚，蔣歡軍.帶新型可更換墻腳部件剪力墻的抗震性能分析[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，55（2）：159-165.

[6] 劉杭杭.框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震鑒定及加固設(shè)計(jì)分析：以安徽省黃山市某酒店改造工程為例[J].安徽建筑，2023，30（11）：180-181.

[7] 張錚，陳培旭，張其林.高強(qiáng)螺栓連接鋁合金框架梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究及數(shù)值分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2023，53（21）：58-66.

[8] 范瑜，張燕華，習(xí)羽翔.游泳館大跨空間桁架結(jié)構(gòu)抗震性能動(dòng)力彈塑性分析[J].中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)，2023，22（10）：10-12.