高層建筑框架—剪力墻結(jié)構(gòu)防震設(shè)計技術(shù)要點

李曉莉

【摘 要】伴隨著時代的發(fā)展，人們的生活水平日益提高，愈發(fā)注重對物質(zhì)條件的追求，并對住房提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。為緊追時代發(fā)展步伐，高層建筑框架-剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生，這不僅較好地滿足了人們的住房需求，還是工程建筑的巨大進步。框架-剪力墻結(jié)構(gòu)憑借自身的顯著優(yōu)勢，近年來，得到了工程設(shè)計人員的廣泛關(guān)注，并被大面積應(yīng)用在高層建筑中?，F(xiàn)階段，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為工程人員研究的主要內(nèi)容，其中在其防震設(shè)計方面的研究居多。本文首先介紹框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，然后分析其設(shè)計特點，最后具體探究其設(shè)計要點。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；框架-剪力墻結(jié)構(gòu)；防震設(shè)計；技術(shù)要點

1 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)計概念

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)也被稱為框一剪結(jié)構(gòu)，從字面上可知該結(jié)構(gòu)主要包含框架與剪力墻這兩部分，實際上也是這兩部分的組合，并進行了適當(dāng)調(diào)整，對其優(yōu)點進行綜合利用，摒棄缺點，全面增強了該組合結(jié)構(gòu)的抗力性能，它可充當(dāng)抗震建筑材料。它的設(shè)計主要應(yīng)用雙向抗側(cè)力體系，通俗來說是指在兩個主軸位置布設(shè)剪力墻。大多數(shù)情形中均將剪力墻位置設(shè)定在平面形狀的改變處。

1.2 抗力性能

待高層建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化后，此時便體現(xiàn)出剪切型特性，該特性也具有一定的規(guī)律，伴隨著樓層高度的增加，變化速度越緩慢。在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中，通過受力特性分析可知，待平面內(nèi)部剛度達到特定值后，樓頂會主動連接框架和剪力墻，構(gòu)成整體，組建成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，一起抗衡水平側(cè)應(yīng)力，免受結(jié)構(gòu)變形的負面影響。在相同樓層中，框架剪力墻具有一樣的水平位移，其水平位移主要以處于框架和剪力墻內(nèi)部的形態(tài)為代表性特征，呈現(xiàn)為一個反S型曲線，它也被稱作彎剪型。在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)內(nèi)部，因下部層面的剪力墻變形不大，所以，肩負著超過80%的水平向剪力，這可提高結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，合理均衡水平形變，最終降低結(jié)構(gòu)變形程度。

1.3 抗震技術(shù)

1.3.1 機構(gòu)控制

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)包含一個公式，伴隨著剪力墻數(shù)量的不斷增加，剪力墻體積和剛度也隨之加大。在實際設(shè)計環(huán)節(jié)，通過機構(gòu)控制來調(diào)整該結(jié)構(gòu)的剛度，以此來優(yōu)化承載能力，比較可行，主要參照公式在結(jié)構(gòu)中的具體位置合理設(shè)置塑性鉸，進而有效控制該結(jié)構(gòu)的形態(tài)，即便發(fā)生，也能形成一個優(yōu)良的耗能機構(gòu)。

1.3.2 肢墻面

縮減肢墻面的面積，組建多肢墻，進而有效控制裂縫。同時，此種樣式的剪力墻還可削弱剛度，降低地震的破壞程度。

1.3.3 斜截面

在防震設(shè)計環(huán)節(jié)，為增強建筑物的承重能力，一般需要在剪力墻周邊使用上梁柱結(jié)構(gòu)，進而構(gòu)建包圍圈，這不僅能限制斜向裂縫的拓展，還能代替被破壞的剪力墻承受重力，在此處加設(shè)的邊框結(jié)構(gòu)，通常要求應(yīng)具備一定的斜截面負載能力。

2 防震設(shè)計特點

2.1 變形協(xié)調(diào)

從抗側(cè)力結(jié)構(gòu)層面來說，因框剪與剪力墻存在差異，所以，一定要考慮受力特點以及變形狀態(tài)，此時需要尋找一個均衡點，以此來協(xié)調(diào)各自變化。在水平負載中，框架與剪力墻會協(xié)同工作，一起抗衡水平負載。同時，伴隨著樓層的不斷增加，水平位移增長速度逐步較快，待樓板水平高度位于特定臨界點時，框架與剪力墻會逐漸融合，不會出現(xiàn)單獨變形的現(xiàn)象。另外，在平移階段，這兩個結(jié)構(gòu)具有相同的變形協(xié)調(diào)性，進而整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定的變形。在剪力墻結(jié)構(gòu)中，在下部樓層，剪力墻的位移較小，它拉著框架按彎曲型曲線變形，剪力墻承受大部分水平力，上部樓層則相反，剪力墻位移越來越大，有外側(cè)的趨勢，而框架則有內(nèi)收的趨勢，框架拉剪力墻按剪切型曲線變形。

2.2 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與原則

伴隨著時代的進步，建筑設(shè)計特點日益多樣化，人們對住宅提出了新的要求，沖破了原有的平房老化區(qū)的束縛，高層建筑結(jié)構(gòu)得到了越來越多居民的青睞，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)也得到工程設(shè)計人員的高度認可。在防震設(shè)計環(huán)節(jié)一般堅持墻的長度與厚度呈現(xiàn)5-8倍數(shù)關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)。同時，還應(yīng)嚴(yán)格遵循分散設(shè)計原則，具體來說是指抗側(cè)力構(gòu)件數(shù)量應(yīng)充足、且布設(shè)分散、剛度與彎度滿足標(biāo)準(zhǔn)，剪力墻數(shù)量較多、剛度較小。在剪力墻面積固定的情形中，若想增強扭轉(zhuǎn)功能，應(yīng)將剪力墻設(shè)置在平面形狀出現(xiàn)變化的位置。

2.3 受力情況

在框剪結(jié)構(gòu)中，框架上部樓層除了負擔(dān)外荷載產(chǎn)生的水平力外，還額外負擔(dān)了把剪力墻拉回來的附加水平力，剪力墻不但不承受荷載產(chǎn)生的水平力，還因為給框架一個附加水平力而承受負剪力，所以，上部樓層即使外荷載產(chǎn)生的樓層剪力很小，框架中也出現(xiàn)相當(dāng)大的剪力。我們應(yīng)格外注意此點內(nèi)容。

3 防震設(shè)計要點

3.1 提升框架的抗震性能

首先，增強框架結(jié)構(gòu)角柱。這是因為角柱在橫縱框架結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著重要的連接作用，若想從整體層面提升框架結(jié)構(gòu)性能，則應(yīng)適當(dāng)提升其抗剪能力；其次，在外圍框架平面中，合理設(shè)計剪力墻墻板的數(shù)量，這可全面解決框架剪力滯后的問題，增強整體性能，增加抵抗推理剛度，降低測量位移，尤其是層間位移。同時，還應(yīng)明確該措施所引發(fā)的結(jié)構(gòu)延性不良，若在墻板上合理設(shè)計十字開口，構(gòu)建結(jié)構(gòu)薄弱部位，組建延性耗能墻板，其成效顯著；最后，在框架結(jié)構(gòu)中適當(dāng)增設(shè)贅余構(gòu)件，例如，偏交斜撐，通過彎曲耗能取代軸變耗能。在等級較大的地震災(zāi)害中，贅余桿件既能達到先行屈服、實現(xiàn)形變以此來吸收地震能力，還能通過自身形變失效后，建筑物整體結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)穩(wěn)定體系改變，進而調(diào)整建筑自振周期，規(guī)避共振效應(yīng)的出現(xiàn)。

3.2 增強剪力墻的抗震性能

在防震設(shè)計環(huán)節(jié)，一方面，針對剪力墻周邊增設(shè)梁柱結(jié)構(gòu)，構(gòu)建邊框剪力墻，這不僅能限制斜向裂縫的不規(guī)則拓展，還能代替被破壞的剪力墻承受一定重力；另一方面，科學(xué)設(shè)計肢墻面積，盡量減小肢墻面積，依照結(jié)構(gòu)形式組件多肢墻，有效控制裂縫，全面調(diào)整屈服部位，以免建筑物遭受地震時出現(xiàn)剪切破壞，規(guī)避底部墻體提前屈服現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3.3 優(yōu)化整體抗震性能

3.3.1 有效實施機構(gòu)控制，獲得總體屈服效果

圍繞框剪結(jié)構(gòu)，選擇適宜的位置，安裝塑性鉸，以此來控制塑性鉸的空間位置、形變和順序，組建優(yōu)良的耗能結(jié)構(gòu)。建筑結(jié)構(gòu)在遭受水平向力后，最開始在水平構(gòu)件中出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，隨后豎向構(gòu)件出現(xiàn)屈服。

3.3.2 協(xié)調(diào)剛度和延性

對比分析框架和剪力墻可知，這兩個結(jié)構(gòu)在延性系數(shù)、剛度等參數(shù)上均存在一定差異，這在某種程度上限制了整體結(jié)構(gòu)抗震性能的增強。從理論層面上而言，框剪結(jié)構(gòu)存在各個構(gòu)件無法統(tǒng)一發(fā)揮作用的現(xiàn)象，引發(fā)先后破壞、逐一擊破的現(xiàn)象，這嚴(yán)重削弱了結(jié)構(gòu)組成構(gòu)件的抗震性能，并降低了有效性；針對這一問題，在防震設(shè)計環(huán)節(jié)應(yīng)有機結(jié)合各個構(gòu)件，協(xié)調(diào)剛度和延性，確保達到建筑抗震標(biāo)準(zhǔn)。在框架設(shè)計環(huán)節(jié)，全面考慮軸壓比，并在剪力墻兩端設(shè)計邊緣約束，進而增加延性，規(guī)避剪切破壞現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3.3.3 統(tǒng)一結(jié)構(gòu)剛度與承重能力

綜上可知，在框剪結(jié)構(gòu)內(nèi)部，隨著剪力墻數(shù)量的不斷增加，體積和剛度隨之加大，同時，也會降低結(jié)構(gòu)自身周期，提升整體水平地震作用。所以，在防震設(shè)計環(huán)節(jié)，應(yīng)結(jié)合建筑物的具體情況全面考慮各個因素，進而明確結(jié)構(gòu)的極限位移限值，準(zhǔn)確設(shè)定剪力墻數(shù)量，確保安全、可靠、經(jīng)濟。

4 結(jié)語

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)具有較強的結(jié)構(gòu)互補性，近年來，他被大面積應(yīng)用在高層建筑中。對于高層建筑框架-剪力墻結(jié)構(gòu)而言，科學(xué)的設(shè)計有利于結(jié)構(gòu)優(yōu)勢的凸顯，進而增強抗震性能，其中在設(shè)計過程中最重要的便是剪力墻的實際數(shù)量與形式。所以，工程設(shè)計人員應(yīng)重視設(shè)計環(huán)節(jié)，嚴(yán)格遵守設(shè)計原則，合理確定剪力墻數(shù)量，規(guī)范設(shè)計剪力墻形式。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]