探索剪力墻抗震設(shè)計(jì)在高層框剪結(jié)構(gòu)建筑中的作用

黃建彬（佛山南方建筑設(shè)計(jì)院有限公司）

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探索剪力墻抗震設(shè)計(jì)在高層框剪結(jié)構(gòu)建筑中的作用

黃建彬（佛山南方建筑設(shè)計(jì)院有限公司）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，越來越多的高層建筑出現(xiàn)在我們的視野，建筑結(jié)構(gòu)和裝飾領(lǐng)域也出現(xiàn)了多元化的形式。其中剪力墻結(jié)構(gòu)和框剪結(jié)構(gòu)在高層建筑中得到廣泛應(yīng)用。隨著高層建筑抗震需求設(shè)計(jì)的要求越來越高，所以在施工過程中要考慮剪力墻和剪力墻高層框剪結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)。

框剪結(jié)構(gòu)；剪力墻；受力變形；抗震設(shè)計(jì)

前言

框剪結(jié)構(gòu)，由于其良好的抗震性能和廣泛的實(shí)用性被廣泛應(yīng)用于中國高層框剪結(jié)構(gòu)中，從50年代開始我國自行設(shè)計(jì)和建造高層建筑，在50年代設(shè)計(jì)建造了一批高層公共建筑和賓館大廈，民族飯店（14層）、國家文化宮（13層）等更多的建筑都采用框剪結(jié)構(gòu)。在高層框剪結(jié)構(gòu)中，將主要由剪力墻承受水平力，剪力墻承受了80%左右的水平力，而剪框結(jié)構(gòu)只承受了水平力的20%左右。高層框剪結(jié)構(gòu)在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)，剪力墻除了的滿足一定條件強(qiáng)度之外，還必須有一定的橫向剛度，以免地震的作用下過度變形。結(jié)構(gòu)對(duì)于小或過大到一定程度時(shí)可引起不必要的經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。所以，合理設(shè)計(jì)剪力墻是高層框剪結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理性和抗震性能的非常重要的問題。

1　框剪結(jié)構(gòu)高層建筑的特點(diǎn)

1.1框剪結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)

框剪結(jié)構(gòu)是框架剪力墻結(jié)構(gòu)的簡稱，是一個(gè)在現(xiàn)代化的高層建筑設(shè)計(jì)中廣泛采用的結(jié)構(gòu)形式，主要布置該結(jié)構(gòu)的方法是用剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)成靈活運(yùn)用的自由空間，讓建設(shè)功能得到滿足?？蚣艚Y(jié)構(gòu)的負(fù)載特性是由剪力墻和框架構(gòu)成的另一種新形式的結(jié)構(gòu)框架來承受荷載。所以它的剪切墻和框架是與純框架中的框架是不同的，也與純剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻不同。在框剪結(jié)構(gòu)中，抵抗來自于外界的水平力是剪力墻的主要作用。

在框剪結(jié)構(gòu)中，在主軸的方向上必須設(shè)置剪切墻，形成了雙向水平阻力。如果只把剪力墻布置在框剪結(jié)構(gòu)的一個(gè)主軸方向上，將會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)主軸方向上的抗測(cè)水平力的程度懸殊。無剪力墻的方向與有剪力墻的方向會(huì)有不協(xié)調(diào)的受力，這將導(dǎo)致整體框剪結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)。當(dāng)把剪力墻設(shè)置在框剪結(jié)構(gòu)主軸的兩個(gè)方向時(shí)，由于地震作用的作用，當(dāng)一部分損壞，其他部分具有足夠的承載能力和剛度，來承受更多的地震作用，可靠而且安全，從而達(dá)到了抵抗地震的作用。

1.2框剪結(jié)構(gòu)在力的作用下的變形

橫向力作用下的框剪結(jié)構(gòu)，剪力墻變形以彎曲變形為主，而剪切變形多在框剪側(cè)向。往往在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中由樓板來協(xié)同工作，由于在樓板平面剛度很大（剛性在計(jì)算是被假定為無限的），在同一樓層的位移是相同的，在框剪結(jié)構(gòu)中，形成一個(gè)S形彎曲型剪切變形特有曲線（如圖1所示）。

圖1　框剪結(jié)構(gòu)受力及變形特點(diǎn)

在框剪結(jié)構(gòu)中，剪力墻下部位移增長較慢，橫向位移比較小，對(duì)框架提供幫助，框架在剪力墻作用下向左移動(dòng)，剪力墻單獨(dú)橫向位移比框剪的橫向位移小，比框架單獨(dú)的橫向位移大；在上部，墻在框架的作用下向左邊移動(dòng)，其側(cè)移比框架單獨(dú)橫向移動(dòng)大，比剪力墻單獨(dú)橫向位移小。最終，將最大限度地減少橫向位移結(jié)構(gòu)，框架和剪力墻內(nèi)力分布更趨合理。

由于框架的橫向剛性比剪力墻要小，所以剪切力在框架上的分布比在剪力墻上的分布也要小。由于變形的協(xié)調(diào)作用，框架和剪力墻的剪切力分布荷載隨著樓層高度的不斷變化從而不斷做出調(diào)整。框架剪切結(jié)構(gòu)在橫向力的作用下，各樓層剪力分布情況和剪力墻與框架之間樓層剪力的分配比例隨著樓層所處高度的變化而變化，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)剛度特征值有直接的影響。在高層框剪結(jié)構(gòu)建筑中，剪力控制部位在房屋高度的中部甚至在上部框架底部剪力為零（如圖2所示）。

圖2　水平力在框架和剪力墻之間的分配

2　在高層框剪結(jié)構(gòu)建筑中剪力墻的布置以及抗震設(shè)計(jì)和構(gòu)造

通過以上的研究和分析，我們了解到，剪力墻和框架之間的水平力分布的特點(diǎn)和框剪結(jié)構(gòu)的變形特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)高層框剪結(jié)構(gòu)是要注意結(jié)合剪力墻和框架之間的水平力分布的特點(diǎn)和框剪結(jié)構(gòu)的變形特點(diǎn)，合理的對(duì)框剪結(jié)構(gòu)和剪力墻的結(jié)構(gòu)和施工進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保高層框剪結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要求。

2.1剪力墻在框剪結(jié)構(gòu)中的布置

在框剪結(jié)構(gòu)中，剪力墻的位置、形狀和數(shù)量、截面尺寸將影響該結(jié)構(gòu)的剛度，尤其是剪力墻數(shù)量和位置決定或影響該結(jié)構(gòu)的剛度。

（1）根據(jù)剪力墻在框剪結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)的位置的布置根據(jù)規(guī)范的要求，框剪結(jié)構(gòu)中剪力墻的安排的位置要符合以下的要求和原則：①抗震墻適宜在樓梯間設(shè)置，但扭轉(zhuǎn)效應(yīng)不宜對(duì)造成較大的影響。②房屋的全高應(yīng)貫穿抗震墻。③較長的房屋，因?yàn)榭v向抗震墻剛度較大所以不適宜在房屋的端開間設(shè)置。④抗震墻的兩端宜與另一方向的抗震墻相連或設(shè)置端柱。

（2）框剪結(jié)構(gòu)中的剪力墻結(jié)構(gòu)的數(shù)量和布置在高層框剪結(jié)構(gòu)中，框剪結(jié)構(gòu)由于其固有的特點(diǎn)，因此它和純框架結(jié)構(gòu)和純剪力墻結(jié)構(gòu)不同。為了使框剪結(jié)構(gòu)起到更有效的抗震效果，剪力墻的數(shù)量必須合理，科學(xué)。

2.2剪力墻的抗震設(shè)計(jì)及構(gòu)造

2.2.1墻體分布筋配筋率

“混凝土規(guī)范”11.7.11條，“高規(guī)”7.2.18條強(qiáng)制規(guī)定在第一，第二和第三抗震等級(jí)的剪力墻中，框架的部分支剪力墻在底部加強(qiáng)的加強(qiáng)比應(yīng)不小于0.3%，分布筋的水平和垂直分布的最小配筋率應(yīng)不小于0.25%。一般在連梁應(yīng)力較大及溫度較高處應(yīng)適當(dāng)加大水平分布筋配筋率。

2.2.2連 梁

剪力墻設(shè)計(jì)的其中的原則之一就是強(qiáng)墻弱連梁，因?yàn)榭紤]到案件的所有可能的超限梁塑性鉸，所以用計(jì)算出的墻肢內(nèi)部數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)墻肢截面，剪力墻結(jié)構(gòu)是安全的。

2.2.3基礎(chǔ)及地下室設(shè)計(jì)

高層剪力墻結(jié)構(gòu)，箱形基礎(chǔ)是它的基礎(chǔ)自然形成的，由于地下室和上部結(jié)構(gòu)可以被看作是一個(gè)整體，建筑物的地下部分對(duì)該框基礎(chǔ)的高度實(shí)際上并不影響。高層建筑基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和分析應(yīng)全面考慮地基基礎(chǔ)和上層建筑之間的相互作用和共同作用。

3　工程實(shí)例

3.1工程概況

本工程為廣東體育中心訓(xùn)練基地運(yùn)動(dòng)員公寓。本工程地上15層，地下1層，地下室層高1～2層層高5.5m，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.4m，普通層高5m。建筑8度抗震設(shè)防，風(fēng)壓0.40kN/m2，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)甲級(jí)，建筑抗震設(shè)防類別丙類，建筑場(chǎng)地類別Ⅲ類，框架抗震等級(jí)二級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)一級(jí)。

3.2結(jié)構(gòu)布置

3.2.1設(shè)計(jì)基本原則

根據(jù)業(yè)主對(duì)建筑功能的使用需要，由于考慮到這項(xiàng)工程的1層，2層為健身中心和餐廳、結(jié)構(gòu)高度及房屋開間較大的需要，采用鋼筋混凝土框架——剪力墻體系的主體結(jié)構(gòu)。

3.2.2剪力墻的布置與設(shè)計(jì)

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》的要求，剪力墻應(yīng)在建筑物的外圍附近統(tǒng)一安排，電梯間平面，樓梯間，恒定負(fù)載和平面形狀變化較大的地方，剪力墻與剪力墻之間的距離不宜過大，剪力墻的墻肢長度和剛度是成正比的，所以剪力墻的墻肢越長就能更大的吸收負(fù)載和地震力，所以剪力墻不宜太長，在實(shí)際設(shè)計(jì)中往往通過在剪力墻上開孔的設(shè)計(jì)以降低剪墻剛度，且剪力墻宜貫通建筑物全高，避免剛度突變；孔結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)上下對(duì)齊。

樓梯，樓梯和豎井通高開洞和樓梯一般不考慮樓梯板的支撐作用，該位置的地板剛度被嚴(yán)重削弱，因而不能通過地板傳遞剛度，所以在樓梯間，電梯間井位置布置剪力墻來加強(qiáng)整體剛度并且把剪力墻圍成筒狀會(huì)更加增強(qiáng)開洞部位的剛度。同時(shí)以確保該結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度以抵抗扭轉(zhuǎn)，并在盡可能使平面形心和建筑剛心一致，應(yīng)在建筑物周圍的對(duì)稱位置均勻布置剪力墻。

3.2.3剪力墻的連梁設(shè)計(jì)

剪力墻之間的連梁，雖然它是第一個(gè)被允許損害的，但實(shí)際設(shè)計(jì)是，連梁發(fā)揮了很大的作用，用于連接剪力墻，并通過連梁分配地震力，為了墻肢屈服晚于連梁屈服實(shí)現(xiàn)強(qiáng)剪弱彎，計(jì)算模式的調(diào)整，主要是考慮到整體規(guī)律，通過調(diào)整開啟洞口高度加強(qiáng)連梁抗剪承載力。在設(shè)計(jì)中還要注意，當(dāng)損傷的連梁對(duì)豎向荷載的作用不明顯時(shí)，根據(jù)獨(dú)立墻肢圖的計(jì)算圖分析第二個(gè)多遇地震中剪力墻的作用。

3.2.4樓屋面板的選型及設(shè)計(jì)

由于本工程主體結(jié)構(gòu)采用了現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，為了能提高柱與剪力墻的協(xié)調(diào)性及整體結(jié)構(gòu)的剛度，樓板也選用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板式結(jié)構(gòu)。

3.2.5整體計(jì)算結(jié)果

在計(jì)算滿足整體要求的基礎(chǔ)上通過調(diào)整連梁截面及柱墻來杜絕超筋的情況，通過改變混凝土等級(jí)及構(gòu)件截面來調(diào)整剪力墻及框架柱軸壓比，通過改變梁截面高度及樓板厚度來滿足撓度的要求。

4　結(jié)語

高層建筑框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)正確認(rèn)識(shí)和把握各種結(jié)構(gòu)的受力和變性的特點(diǎn)，科學(xué)規(guī)劃，合理設(shè)計(jì)，在組件設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)加強(qiáng)重要的部位，發(fā)揮材料的最大強(qiáng)度?？偨Y(jié)過去的經(jīng)驗(yàn)，完善技術(shù)，不斷開拓創(chuàng)新，為高層建筑的抗震做出一點(diǎn)點(diǎn)貢獻(xiàn)。

［1］蘇國芳，王天.框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題的探討［J］.城市建設(shè)理論研究，2012（05）.

［2］李 瑄.高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中幾個(gè)問題的探討［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2008（16）.

［3］張 俏，柯長華，張國慶.高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常遇問題的解決方法［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2006（6）.

［4］中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

黃建彬（1980-），男，中級(jí)工程師，本科，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

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2095-2066（2016）14-0133-02

2016-3-20