談框架剪力墻中剪力墻的布置

喬婷婷 閆 園

1 概述

框架—剪力墻(框剪結(jié)構(gòu))結(jié)構(gòu)是在國內(nèi)外比較常用的一種高層結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于辦公樓和公共建筑，也多用于高層住宅和旅館。其框架部分能構(gòu)成自由靈活的使用空間，滿足不同的建筑使用功能，而剪力墻部分具有足夠大的剛度，在抗震和抗水平荷載方面有突出的貢獻(xiàn)，大大減小了結(jié)構(gòu)本身的側(cè)移，因此在現(xiàn)代建筑中得到廣泛的應(yīng)用。

2 框剪結(jié)構(gòu)體系

框剪結(jié)構(gòu)是由剪力墻結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)混合組成的，就其組合而言，有兩種結(jié)構(gòu)體系，一種是剪力墻與框架之間通過樓蓋屋蓋連系，此時(shí)樓屋蓋相當(dāng)于一個(gè)剛性水平鏈桿，將同一層中的框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)連系起來，在不計(jì)扭轉(zhuǎn)影響的情況下強(qiáng)迫使這兩種水平荷載下側(cè)移變形性質(zhì)截然不同的結(jié)構(gòu)具有層層水平位移相同的側(cè)移變形，此即為鉸接框剪結(jié)構(gòu)。另一種是剪力墻與框架之間除通過樓屋蓋連系外，部分剪力墻與部分框架柱之間尚有具有一定抗彎剛度的連梁連系，使得結(jié)構(gòu)具有更大的側(cè)移剛度，這種結(jié)構(gòu)體系稱為剛接框剪結(jié)構(gòu)。目前，工程中為滿足剛度需求一般選用剛接框剪結(jié)構(gòu)。

剪力墻結(jié)構(gòu)的變形為彎曲型，上部層間相對變形大，下部層間相對變形小，隨樓層的增加總側(cè)移和層間側(cè)移增長加快?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的變形是剪切型，上部層間相對變形小，下部層間相對變形大，隨樓層的增加，總側(cè)移和層架側(cè)移增加減慢。對于框剪結(jié)構(gòu)，由于兩種結(jié)構(gòu)協(xié)同工作變形協(xié)調(diào)，形成了彎剪變形，剪力墻下部變形將增大，框架下部變形卻減小了，這使得下部剪力墻擔(dān)負(fù)更多剪力，而框架下部擔(dān)負(fù)的剪力較小。在上部，情形正好相反，剪力墻變形減小，因而卸載，框架上部變形加大，擔(dān)負(fù)的剪力將增大，因此，框架上部和下部所受的剪力趨于均勻化。從而減小了結(jié)構(gòu)的層間相對位移比和頂點(diǎn)位移比，使結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度得到了提高。

3 剪力墻的布置原則

1)平面布置。

剪力墻結(jié)構(gòu)中全部豎向荷載和水平力都由鋼筋混凝土墻承受，所以剪力墻應(yīng)沿平面主要軸線方向布置。

a.矩形、L形、T形平面時(shí)，剪力墻沿兩個(gè)正交的主軸方向布置;

b.三角形及Y形平面可沿三個(gè)方向布置;

c.正多邊形、圓形和弧形平面，則可沿徑向及環(huán)向布置。

2)單片剪力墻的長度不宜過大。

a.長度很大的剪力墻，剛度很大將使結(jié)構(gòu)的周期過短，地震力太大不經(jīng)濟(jì);

b.剪力墻處于受彎工作狀態(tài)時(shí)，才能有足夠的延性，故剪力墻應(yīng)當(dāng)是高細(xì)的，如果剪力墻太長時(shí)，將形成低寬剪力墻，就會有受剪破壞，剪力墻呈脆性，不利于抗震。故同一軸線上的連續(xù)剪力墻過長時(shí)，應(yīng)用樓板或小連梁分成若干個(gè)墻段，每個(gè)墻段的高寬比應(yīng)不小于2。每個(gè)墻段可以是單片墻，小開口墻或聯(lián)肢墻。每個(gè)墻肢的寬度不宜大于8.0 m，以保證墻肢是由受彎承載力控制，和充分發(fā)揮豎向分布筋的作用。內(nèi)力計(jì)算時(shí)，墻段之間的樓板或弱連梁不考慮其作用，每個(gè)墻段作為一片獨(dú)立剪力墻計(jì)算。

4 剪力墻數(shù)量的確定

剪力墻布置的多一點(diǎn)則剛度較大，框架布置的多則柔度大。根據(jù)歷年的震害調(diào)查研究，隨著剪力墻數(shù)量的增加震害減少。那究竟應(yīng)該怎樣合理布置剪力墻的數(shù)量。

1)根據(jù)平均壓力即樓層以上重量除以樓層剪力墻和框架柱的截面面積，反應(yīng)了層數(shù)、重量及結(jié)構(gòu)截面面積的關(guān)系，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)平均壓力小于1.2 MPa時(shí)震害小。

2)以剪力墻截面長度表示的剪力墻壁率(壁率=某一方向上剪力墻水平截面總長/建筑面積)。經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)壁率大于5 cm/m2時(shí)震害最小，對抗震構(gòu)造措施合理的取低值，反之取高值。

3)可以用框剪結(jié)構(gòu)的剛度特征值λ(即框架抗推剛度和剪力墻抗彎剛度的比值)來計(jì)算確定剪力墻的數(shù)量，且計(jì)算結(jié)果比較精確。

其中，Cf=∑Cfi為總框架的剪切剛度，可由柱的抗側(cè)剛度D值計(jì)算，Cfi=h∑Di;Cb=∑Cbi為連梁的附加等效剪切剛度;EIw=∑EIwi為總剪力墻的剛度。

λ值的變化，表示兩種不同變形性質(zhì)的結(jié)構(gòu)的相對數(shù)量，對框架剪力墻的受力和變形性能影響很大，當(dāng)框架抗推剛度很小時(shí)，λ值較小;λ=0時(shí)即純剪力墻結(jié)構(gòu)。當(dāng)剪力墻抗彎剛度減小時(shí)，λ值增大;λ=∞時(shí)即相當(dāng)于純框架結(jié)構(gòu)。

計(jì)算時(shí)取 EIw=H2(Cf+Cb)/λ2，此時(shí) λ 取值宜為1.15≤λ≤2.4，下限值是為了使剪力墻剛度不致過大，上限值是為了滿足剪力墻承受的地震力傾覆力矩不小于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的50%，樓層剪力一般在0.5H～0.6H處最大，故假定0.5H～0.6H處樓層剪力墻的基本厚度bw和混凝土強(qiáng)度等級后，便可按下式進(jìn)行初算每個(gè)方向上需要的剪力墻長度

其中系數(shù)ψ是考慮組合剪力墻(L形，[形，工形，口形)的綜合剛度大于將其某向高度疊加而得到的一字形剪力墻剛度，而設(shè)置的折減系數(shù);按翼緣寬為7bw的工形墻肢計(jì)算得到的腹板高度作為需要布置的墻肢總長度與按一字形計(jì)算得到的剪力墻長度比約為0.7 ～0.9，工程初步設(shè)計(jì)時(shí)可取 ψ =0.85。

4)可以用結(jié)構(gòu)自振周期校核，截面尺寸，結(jié)構(gòu)布置和剪力墻數(shù)量合理的框架剪力墻結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)自振周期大約可用公式T=(0.06～0.08)N 表示(N 為樓層數(shù))。

5 工程實(shí)例

建立一個(gè)6層鋼筋混凝土框剪結(jié)構(gòu)模型，層高為1層4.5 m，2層～6層3.0 m;設(shè)防烈度為7度(0.10g)，Ⅱ類場地;軸網(wǎng)尺寸見圖1;柱子 500×500;主梁 250×450，250×500;次梁 250×1000;連梁250×1000;混凝土C30;剪力墻250。

圖1 某框剪結(jié)構(gòu)平面圖

根據(jù)剪力墻的布置原則以及用剛度特征值計(jì)算得出在結(jié)構(gòu)周邊均勻、對稱的布置共12面剪力墻，其中3號剪力墻開洞1000 mm寬，用Midas軟件分析。

得到結(jié)構(gòu)周期如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)自振周期

利用結(jié)構(gòu)自振周期復(fù)核剪力墻的數(shù)量和布置，T=(0.06～0.08)N=0.36 s～0.48 s，第一模態(tài)周期為0.361703，說明剪力墻的布置是合理的。

6 結(jié)語

1)框架剪力墻結(jié)構(gòu)在剪力墻和框架結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用下，側(cè)移剛度得到了提高，使用功能和抗側(cè)移能力都有了很大的改善。

2)剪力墻的布置要遵循相應(yīng)的原則，在布置合理的前提下，剪力墻的數(shù)量可用平均應(yīng)力或壁率進(jìn)行初估并用結(jié)構(gòu)特征值進(jìn)行精確計(jì)算，最后用結(jié)構(gòu)自振周期來復(fù)核。

[1]傅學(xué)怡.實(shí)用高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].第2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2]郭任俊.高層建筑框架:剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[3]魏忠澤，秦桂娟.框剪結(jié)構(gòu)體系中剪力墻的合理數(shù)量[J].沈陽建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1996(2):48-50.