探析框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘 要：框架-剪力墻結(jié)構(gòu)是公認(rèn)的抗震性能較好的結(jié)構(gòu)體系，它將框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)融為一體，充分發(fā)揮框架與剪力墻的優(yōu)點(diǎn)，使整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度適中，并能提供相應(yīng)的豎向和水平承載力。在高層建筑的各種結(jié)構(gòu)體系中，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)是一種應(yīng)用范圍較為廣泛的、經(jīng)濟(jì)性較好的結(jié)構(gòu)體系。文章介紹了框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，并提出了優(yōu)化框架-剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的有關(guān)措施。

關(guān)鍵詞：框架-剪力墻結(jié)構(gòu)；抗震；優(yōu)化

在高層建筑結(jié)構(gòu)中，框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)向剛度差，抵抗水平荷載的能力較低，對(duì)抗震不利，但它具有空間大，平面布置靈活等優(yōu)點(diǎn)；剪力墻結(jié)構(gòu)豎向剛度和抗側(cè)力剛度均很大，但平面布置不靈活，不適應(yīng)大空間的要求；而框架-剪力墻結(jié)構(gòu)解決了上述問題。因此，在我國(guó)近年來的高層建筑中，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)不斷得以運(yùn)用?？蚣?剪力墻結(jié)構(gòu)集合了框架結(jié)構(gòu)與剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，具有承受豎向和水平荷載的能力，能較好的抵抗抗地震力和抵抗水平風(fēng)荷載作用。

一、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)條件下，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)抗震分析的方法主要有手算法和電算法兩種：前者是在假定基礎(chǔ)上的近似簡(jiǎn)化計(jì)算方法；后者常用矩陣位移法求解，相對(duì)而言，是一種較前者為精確的計(jì)算方法。隨著地震調(diào)查分析及理論的不斷深化，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析逐漸盛行，國(guó)內(nèi)外陸續(xù)出現(xiàn)了一系列結(jié)構(gòu)優(yōu)化的觀點(diǎn)。有學(xué)者認(rèn)為合適的剪力墻數(shù)量以使其能承受總地震傾覆力矩值的65%～80%為宜，也有學(xué)者提出根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》對(duì)結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)風(fēng)振加速度的限制和對(duì)框架、剪力墻比例的要求，提出了一種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)剛度優(yōu)化方法。

在進(jìn)行框架-剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻剛度的確定，除了必須滿足強(qiáng)度條件外，還必須使結(jié)構(gòu)具有一定的側(cè)向剛度。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，可通過合理調(diào)整剪力墻的混凝土等級(jí)和改變剪力墻的布置及截面尺寸，使結(jié)構(gòu)剛度均勻，具有較好的抵御水平荷載的能力，控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)，達(dá)到抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)約成本的目的。大量研究表明，改變剪力墻的彎曲剛度對(duì)柱的內(nèi)力影響不大，因此，當(dāng)剪力墻的高寬比比較大，剪切變形的影響比較小時(shí)，可取剪力墻的彎曲剛度為設(shè)計(jì)變量。具體優(yōu)化措施如下：

（一）提高框架的抗震性能

角柱作為連結(jié)縱橫框架的樞紐，對(duì)于框架的抗震性能起著非常關(guān)鍵的作用，因此，加強(qiáng)角柱，也即增加角柱的抗剪性能是提高框架抗震性能必要措施?？梢匝刂蚣芷矫姘碖形支撐和X形支撐布置一定數(shù)量的鋼筋砼抗剪墻板，這樣就能有效克服框架的剪力滯后現(xiàn)象，提高框架的抗推剛度和整體穩(wěn)定性。但是這種結(jié)構(gòu)的延性較差，因此，可以在墻板上開十字形結(jié)構(gòu)豎縫使之出現(xiàn)薄弱部位，形成延性耗能墻板。

（二）提高剪力墻的抗震性能

提高剪力墻的抗震性能的一個(gè)重要途徑是將剪力墻做成四周均有梁柱的帶邊框墻。這樣明框和暗框就可以阻止斜裂縫向相鄰邊框發(fā)展。同時(shí)為了承擔(dān)因墻身通裂對(duì)邊框梁柱引起的附加剪力一定要保證邊框具有足夠的斜截面受剪承載力。

（三）提高整體結(jié)構(gòu)的抗震性能

提高框架的抗震性能和剪力墻的抗震性能只是抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)的一方面，最終的目的是提高建筑整體結(jié)構(gòu)的抗震性能，因此就要做到結(jié)構(gòu)的剛度和承載力相匹配。在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中，如果剪力墻數(shù)量多則會(huì)使結(jié)構(gòu)自振周期減小，總水平地震作用增大；反之剛度小，地震力也變小。因此要綜合考慮各方面因素以便合理確定抗震墻的數(shù)量和厚度，保證安全的前提下節(jié)約成本，優(yōu)化框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

二、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化的計(jì)算工具

（一）SATWE軟件的介紹

SATWE是中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部應(yīng)現(xiàn)代高層建筑發(fā)展的要求，專門為多、高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)而開發(fā)的基于殼元理論的三維組合結(jié)構(gòu)有限元分析軟件。其核心是解決剪力墻和樓板的模型化問題，盡可能地減小其模型化誤差，提高分析精度，使分析結(jié)果能夠更好地反映出高層結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力狀態(tài)。

（二）SATWE軟件的優(yōu)點(diǎn)

（1）模型化誤差小、分析精度高；（2）計(jì)算速度快；（3）強(qiáng)大的后處理功能；（4）可完成建筑結(jié)構(gòu)在恒、活、風(fēng)、地震力作用下的內(nèi)力分析及荷載效應(yīng)組合計(jì)算，對(duì)鋼筋砼結(jié)構(gòu)還可完成截面配筋計(jì)算；（5）可進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)和地下室聯(lián)合工作分析，并進(jìn)行地下室設(shè)計(jì)；（6）適用于高層和多層鋼筋砼框架、框架一剪力墻、剪力墻結(jié)構(gòu)，以及高層鋼結(jié)構(gòu)或鋼-砼混合結(jié)構(gòu)以及復(fù)雜體型的高層建筑、多塔、錯(cuò)層、轉(zhuǎn)換層及樓板局部開洞等特殊結(jié)構(gòu)型式。

三、計(jì)算實(shí)例

某框架-剪力墻結(jié)構(gòu)建筑總層數(shù)26層（地下2層），建筑高度71.95m，總建筑面積18574.6m2，標(biāo)準(zhǔn)層層高2.90m。依據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》，本建筑屬丙類建筑，所處地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)構(gòu)造措施按上述相應(yīng)的抗震等級(jí)采用。本工程的基本風(fēng)壓值為0.4KN/m2，工程所在地屬Ⅱ類場(chǎng)地土。

在剪力墻結(jié)構(gòu)布置不變的情況下，主要選取對(duì)建筑物剛度影響最大的三個(gè)因素：開洞率a、墻率b、砼強(qiáng)度等級(jí)C的不同值得到計(jì)算模型，取值如表1。

通過計(jì)算可知：（1）可以得出多高層框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻的洞口率、墻率和混凝土強(qiáng)度等級(jí)是三個(gè)最突出影響的因素；（2）高層框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的自振周期比和最大位移與剪力墻結(jié)構(gòu)的墻率、開洞率、混凝土強(qiáng)度等級(jí)有著一定關(guān)系。在這三個(gè)影響因素中，墻率對(duì)（下轉(zhuǎn)第216頁）結(jié)構(gòu)剛度影響最為顯著，其次為開洞率，混凝土強(qiáng)度等級(jí)等級(jí)影響較小。因此，可以通過對(duì)剪力墻的合理布置以及對(duì)剪力墻截面尺寸的調(diào)整，控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)，來達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

表1 三個(gè)因素取值表

開洞率a 墻率b 砼強(qiáng)度等級(jí)C

ax ay bx by

0.1537 0.2412 0.0324 0.0358 C20

0.1861 0.2866 0.0612 0.0487 C25

0.2361 0.3578 0.0756 0.0594 C30

0.2801 0.4781 0.0897 0.0728 C35

總體而言，盡管人們關(guān)于地震對(duì)建筑破壞作用的認(rèn)識(shí)不同，對(duì)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)存在一些爭(zhēng)議，但結(jié)構(gòu)剛度特征值始終是決定結(jié)構(gòu)抗震性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的關(guān)鍵。如何計(jì)算和優(yōu)化控制框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度問題也始終是多高層建筑在抗震方面的一個(gè)核心問題。通過諸如TAT等類似軟件技術(shù)的運(yùn)用，能為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)在抗震優(yōu)化方面發(fā)揮一定的作用。

四、結(jié)語

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的是否合理，會(huì)對(duì)建筑物的安全使用和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的高低產(chǎn)生直接影響?？蚣?剪力墻結(jié)構(gòu)中，框架與剪力墻起到了很好的互補(bǔ)的作用，對(duì)于抗震要求較高的地區(qū)是一種非常合適的結(jié)構(gòu)形式。文章通過對(duì)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行料分析，提出抗震優(yōu)化措施，希望對(duì)框架-剪力墻的抗震設(shè)計(jì)起到一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：郭建國(guó)，吉安市建筑設(shè)計(jì)院。