高層建筑框架—剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

賈長江 梁利生

摘 要：隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高層建筑逐漸成為現(xiàn)代建筑的發(fā)展趨勢。由于該結(jié)構(gòu)形式抗側(cè)剛度大，可有效減少側(cè)移，且具有較好抗震性能。因此被廣泛應(yīng)用于高層鋼筋混凝土建筑。為此，本文在充分了解剪力墻結(jié)構(gòu)概況的基礎(chǔ)上，對高層建筑框架-剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行了分析與探究。

關(guān)鍵詞：高層建筑；框架-剪力墻結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)要點(diǎn)

一、剪力墻結(jié)構(gòu)的概況

剪力墻結(jié)構(gòu)是用鋼筋混凝土墻板來代替框架結(jié)構(gòu)中的梁柱，能承擔(dān)各類荷載引起的內(nèi)力，并能有效控制結(jié)構(gòu)的水平力，是用鋼筋混凝土墻板來承受豎向和水平力的結(jié)構(gòu)。高層結(jié)構(gòu)的建筑大量使用這種結(jié)構(gòu)。剪力墻截面有以下特點(diǎn)：墻肢長度和其厚度比要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于；承載力和平面外剛度都比較小；自身平面的承載力和剛度都比較大。在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，墻即要承受沿其平面作用的水平剪力和彎矩，還要承受豎向壓力。墻體在彎矩、剪力和軸力的共同作用下，它受到的水平作用的時(shí)候就像懸臂深梁嵌固在基礎(chǔ)的底部。剪力墻在風(fēng)荷載或者地震的作用下，一方面要滿足其剛度要求，另一方面還要滿足非彈性變形重復(fù)作用而出現(xiàn)的能量消耗、延性等要求，同時(shí)還要控制結(jié)構(gòu)即使開裂也不會倒塌。剪力墻因?yàn)榭锥吹膯栴}受力狀況和特點(diǎn)都會不同，其變形狀態(tài)和內(nèi)力分布都會發(fā)生變化。根據(jù)其開洞的情況可以分為實(shí)體墻、整體小開口剪力墻、雙肢或多肢剪力墻、壁式框架等。

二、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻的布置

剪力墻的布置一般原則是均勻、分散、對稱、周邊及均勻，分散原則是要求剪力墻片數(shù)不要太少， 而且每片剪力墻剛度不要太大，連續(xù)尺寸不要太長，使抗側(cè)力構(gòu)件數(shù)量多一些，分散一些，每片剪力墻的彎曲剛度適中， 在使用中不會因?yàn)閭€別墻的局部破壞而影響整體的抗側(cè)力性能， 也不會使個別墻的受力太集中，負(fù)擔(dān)過重而引起過早的破壞，剛度過大的墻承擔(dān)的內(nèi)力也大，相應(yīng)的基礎(chǔ)處理難度增加，同時(shí)也考慮到剪力墻相距太遠(yuǎn)，樓面剛度要求大，很難滿足要求，周邊的原則是考慮建筑物抵抗扭轉(zhuǎn)能力，便于保證剛度中心與平面中心相吻合。

剪力墻布置在周邊對稱位置，增加抵抗扭轉(zhuǎn)的內(nèi)力臂，在不增加剪力墻面積的情況下，提高抗扭轉(zhuǎn)能力，剪力墻布置的位置應(yīng)設(shè)在平面形狀變化處，即：角隅、端角、凹角，這些部位往往是應(yīng)力集中處，設(shè)置剪力墻給予加強(qiáng)是很有必要的；高層建筑的樓梯間、電梯間、管道井處等的樓面開洞嚴(yán)重地削弱樓板剛度，對保證框架與剪力墻協(xié)同工作極為不利。因此，在工程設(shè)計(jì)中用剪力墻來加強(qiáng)這些薄弱端部，剪力墻的間距：現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓蓋L/B=2～4 為宜；裝配整體式鋼筋混凝土樓蓋L/B=1～2.5 為宜，原則是建筑物愈高、抗震設(shè)防烈度愈高，間距取值愈小，剪力墻應(yīng)沿建筑物全高設(shè)置，不得沿高度有突變，剪力墻應(yīng)落地，剪力墻并應(yīng)在兩個主軸方向組合部署成L 形、T 形或形成封閉的筒， 這樣可以提高剪力墻自身的剛度，且一片剪力墻的長度不宜大于8m，當(dāng)超過時(shí)，應(yīng)利用洞口分割成兩片墻，功能上不需要洞時(shí)，洞口可用不同的材料或輕質(zhì)材料填充， 過長的剪力墻中央部分的鋼筋尚未到達(dá)屈服階段，墻端部的鋼筋早因變形過大而斷開破壞、工程具體情況、建筑物高度、地區(qū)設(shè)防烈度及參考上面方法取值。

三、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

框架剪力墻結(jié)構(gòu)具有較好的延性和耗能能力，是一種較為理想的抗震結(jié)構(gòu)型式，對于框架 剪力墻結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計(jì)框架、剪力墻以及連梁，對框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震能力是非常重要的，鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程（JGJ3- 91）考慮了框架 剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻開裂后剛度降低， 使框架承受的水平荷載大于彈性分析結(jié)果， 則規(guī)定框架承受水平剪力不小于0.2V01 框架剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段后，剪力墻上部彎矩增大，下部彎矩減小，反彎點(diǎn)位置下移，剪力墻擔(dān)負(fù)的剪力上、下部變化較大，中部變化較小，但是剪力墻設(shè)計(jì)控制內(nèi)力變化不大，框架剪力墻結(jié)構(gòu)屈服以后，結(jié)構(gòu)的剛度特征值λ將改變，框架的最大剪力層轉(zhuǎn)移，如果屈服順序依次為剪力墻→框架梁→框架柱，則λ值增大，框架的最大剪力層下移；如果是框架梁先屈服，則λ值降低，最大剪力層上移，框架 剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能設(shè)置抵抗地震的多道防線，一般情況下，剪力墻作為第一道防線首先屈服，將框架設(shè)計(jì)作為第二道防線。因此， 要充分認(rèn)識到框架在剪力墻屈服后增加的荷載效應(yīng)，讓框架柱承擔(dān)豎向荷載的構(gòu)件有充分的安全儲備， 并且針對第二道防線，框架結(jié)構(gòu)作抗震驗(yàn)算，總之，適當(dāng)處理構(gòu)件的強(qiáng)弱關(guān)系，使其形成多道抗震防線，是增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的重要措施。

四、合理分析計(jì)算結(jié)果

1、合理分析，正確簡化計(jì)算程序要求的計(jì)算，用TBSA 程序計(jì)算時(shí)，首先將鋼塔轉(zhuǎn)換成為等剛度、等質(zhì)量的薄壁筒體與下面結(jié)構(gòu)整體計(jì)算，然后，再按得到的內(nèi)力另外進(jìn)行鋼塔的設(shè)計(jì)，框架剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻不落地時(shí)，形成框肢剪力墻結(jié)構(gòu)，用TBSA 程序分析，先將計(jì)算洞口劃分為平面剪力墻或較簡單的L 形和I 形剪力墻，轉(zhuǎn)換層設(shè)托梁支承，用無柱連接點(diǎn)與上層剪力墻連接，當(dāng)每片墻的支承柱數(shù)為3根或更多時(shí)，轉(zhuǎn)換梁的剛度要取得很大的高度，這種簡化便于整體分析， 但轉(zhuǎn)換層和上下相鄰層的內(nèi)力和配筋運(yùn)用另外的計(jì)算程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。鋼管混凝土、型鋼混凝土構(gòu)件有按剛度相等的條件轉(zhuǎn)換成圓形或矩形截面的混凝土構(gòu)件進(jìn)行整體計(jì)算， 求得內(nèi)力后再按有關(guān)規(guī)定對構(gòu)件進(jìn)行承載力設(shè)計(jì)。

2、分析計(jì)算機(jī)輸出結(jié)果是否正確，首先從周期、振型和地震力方面判斷，非耦連計(jì)算地震作用，其第一周期會在常規(guī)范圍內(nèi)， 框架剪力墻結(jié)構(gòu)T1=（0.08～0.12）NS （NS 為層數(shù)）；第二周期T2=T1（1/5～1/3）；第三周期約為T3=T1（1/7～1/5），如果相差太遠(yuǎn)應(yīng)考慮調(diào)整結(jié)構(gòu)截面尺寸和剪力墻的數(shù)量， 使周期處于常規(guī)的范圍內(nèi)，正確的計(jì)算結(jié)果振型曲線多為連續(xù)光滑的，且第一振型沒有零點(diǎn)，第二振型的零點(diǎn)在（0.7～0.8）H 高度上，第三振型的零點(diǎn)分別在（0.4～0.5）H 和（0.8～0.9）H 高度上，如果計(jì)算結(jié)果有異樣，應(yīng)繼續(xù)分析查找原因，正常情況，底部總剪力也應(yīng)在合理范圍內(nèi)，7 度Ⅱ類場地底部剪力大約在總重量的1.5%～3%之間，8 度Ⅱ類場地大約在總重量的3%～6%之間視為正常?？蚣?剪力墻結(jié)構(gòu)的位移在一般情況下，彎曲型與剪切型之間基本上是反S 型，接近于直接參考點(diǎn)的位移曲線，應(yīng)上、下漸變，不應(yīng)出現(xiàn)大的突變。

五、結(jié)束語

綜上所述，在高層建筑中，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)是較為常見的結(jié)構(gòu)。它的應(yīng)用范圍較為廣泛，如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，不僅能夠使高層建筑更加穩(wěn)定，而且還能增強(qiáng)其防震功能。為了保證框架-剪力墻具有更高的安全保證，需要根據(jù)工程的具體特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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