少墻框架結(jié)構(gòu)在工程設(shè)計中的應(yīng)用

晉哲鋒 （安徽省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院，安徽 合肥 230022）

1 引言

框架結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)民用建筑中經(jīng)常采用的一種結(jié)構(gòu)型式，其主要優(yōu)點有建筑平面布置靈活，可形成較大建筑空間。結(jié)構(gòu)的整體性較好，能達到較好的抗震效果等，同時其也存在著側(cè)向剛度、抗扭剛度小等不足，常會導(dǎo)致層間位移角及扭轉(zhuǎn)位移比無法滿足規(guī)范要求。因此，在框架結(jié)構(gòu)中設(shè)置少量抗震墻的設(shè)計方法日益增多，并取得良好的效果，從而形成了一種特殊的結(jié)構(gòu)體系——設(shè)置少量抗震墻的框架結(jié)構(gòu)，即少墻框架。

關(guān)于少墻框架的定義及相關(guān)要求，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）（2016年版）（以下簡稱《抗規(guī)》）[1]與《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3-2010）（以下簡稱《高規(guī)》）[2]中都有描述，但并不完全統(tǒng)一，且上述規(guī)范對少墻框架結(jié)構(gòu)中的框架及剪力墻均未予以量化，對剪力墻在這種結(jié)構(gòu)形式中的作用未予以說明，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工圖審查時無章可循，在實際工程中也難以廣泛應(yīng)用[3]。本文結(jié)合實際工程實例，提出了少墻框架體系的應(yīng)用范圍和設(shè)計思路。

2 工程概況

本工程位于合肥市濱湖新區(qū)，為某基地綜合館，長59.8m，寬53.6m，主要柱網(wǎng)尺寸8.4m×8.4m。地下1層，地上5層，建筑面積約 2.2萬 m2，總高23.20m。其中地下1層為機動車庫及設(shè)備配套用房，首層為展館，層高7.4m。二層為信息中心和檔案庫，層高4.8m。三層為運動場地，高度4.8m+3.8m+3.8m，四、五層為附屬辦公用房，圍繞運動場地上空呈回字形布置，平面圖如圖所示，層高均為3.8m。本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年?？拐鹪O(shè)防烈度7度，設(shè)計基本地震加速度為0.10g，設(shè)計地震分組為第一組，特征周期為0.35s，場地類別為Ⅱ類，50年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓為0.35kN/m2，地面粗糙度為B類。建筑方案平面中四個角部均設(shè)有疏散用樓梯，造成了角柱雖有兩個方向框架梁的拉結(jié)，但卻缺少水平樓板連接，對于結(jié)構(gòu)抗震及抗扭轉(zhuǎn)不利。結(jié)構(gòu)方案布置采取了加強角部樓梯間的剛度，在樓梯間角柱位置兩個方向上均設(shè)置少量的剪力墻。墻長1500，墻厚200，墻肢均與框架柱相連接。

3 計算分析

采用盈建科軟件，按純框架結(jié)構(gòu)及框架—剪力墻結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)體系分別建模，根據(jù)軟件計算結(jié)果，在設(shè)置了少量抗震墻的計算模型中，結(jié)構(gòu)底部框架部分在X、Y方向所承擔(dān)的地震傾覆力矩分別為75.70%、76.60%，按《抗規(guī)》第6.1.3條屬于典型的少墻框架結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下兩種結(jié)構(gòu)方案的抗震性能比較見表1所示。

綜合管三層平面示意

由于增加少量抗震墻后可有限增加結(jié)構(gòu)剛度，前兩個振型的自振周期均略有降低，但第三振型（扭轉(zhuǎn)振型）的自振周期降低明顯，可以有效控制扭轉(zhuǎn)周期比，滿足規(guī)范要求。同時兩種結(jié)構(gòu)體系在規(guī)定水平力作用下彈性層間位移角均滿足規(guī)范對框架結(jié)構(gòu)的要求，少墻框架結(jié)構(gòu)的層間位移角減小幅度不大，說明這種結(jié)構(gòu)體系的剛度在滿足規(guī)范柔性的條件下，剛度并沒有過大，但可以顯著改善框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。

4 經(jīng)濟對比

對兩個結(jié)構(gòu)體系進行鋼筋用量和混凝土用量的統(tǒng)計，考慮到兩個結(jié)構(gòu)的平面和樓板厚度、配筋相同，僅對梁、柱、墻的經(jīng)濟指標(biāo)進行比較，詳見表2。由此可知，與純框架結(jié)構(gòu)相比，少墻框架結(jié)構(gòu)混凝土用量增加4.4%，鋼筋用量增加5.7%，考慮到實際配筋設(shè)計時需要采用包絡(luò)設(shè)計，含樓板等未計入在內(nèi)的工程量，最終的綜合造價比純框架結(jié)構(gòu)增加不超過5%，經(jīng)濟性顯著。

設(shè)置少量抗震墻后結(jié)構(gòu)參數(shù)對比 表1

5 少墻框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法

5.1 彈性層間位移角的設(shè)計原則

少墻框架結(jié)構(gòu)仍然屬于框架結(jié)構(gòu)范疇，在多遇地震作用下的層間位移角限值，可按底層框架部分承擔(dān)的傾覆力矩的大小，在框架結(jié)構(gòu)和框架—抗震墻結(jié)構(gòu)兩者的彈性層間位移角限值之間進行偏安全的內(nèi)插，具體見表3。

5.2 框架的設(shè)計原則

相關(guān)研究表明，少墻框架與框架—剪力墻的剪力分布情況不同，為了精確分析框架和墻體的協(xié)同工作結(jié)果，保證結(jié)構(gòu)有一定的安全冗余，《抗規(guī)》中明確規(guī)定，少墻框架結(jié)構(gòu)其框架部分的地震剪力值，宜取框架結(jié)構(gòu)模型和框架—剪力墻模型二者計算結(jié)果的較大值，即按純框架結(jié)構(gòu)（不計入剪力墻）和框架—剪力墻結(jié)構(gòu)分別計算，取兩者中的較大值作為框架結(jié)構(gòu)的配筋依據(jù)，框架的抗震等級按純框架結(jié)構(gòu)確定。

5.3 抗震墻的設(shè)計原則

框架結(jié)構(gòu)設(shè)置少量抗震墻的目的，一是適當(dāng)增大框架結(jié)構(gòu)的剛度，二是提高框架結(jié)構(gòu)的抗地震倒塌能力[4]。由于少墻框架結(jié)構(gòu)不必調(diào)整框架部分各層的地震剪力。因此，應(yīng)通過降低抗震墻部分各層的地震剪力（實質(zhì)是降低抗震墻的承載力），使抗震墻先于框架屈服、破壞。《抗規(guī)》規(guī)定，少墻框架結(jié)構(gòu)的抗震墻，其抗震構(gòu)造措施可按抗震墻結(jié)構(gòu)的規(guī)定執(zhí)行。為了使少墻框架結(jié)構(gòu)的抗震墻起到“保險絲”的作用，用于設(shè)計的抗震墻的地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)小于框架—抗震墻模型的計算結(jié)果?？拐饓?yīng)設(shè)計成短墻或開豎縫墻，避免承受過大的水平剪力。當(dāng)為聯(lián)肢墻時，采用大胯高比的連梁，使各墻成為獨立墻肢。抗震墻可根據(jù)剪壓比限值配置水平鋼筋，然后根據(jù)強剪弱彎的原則配置豎向鋼筋。

經(jīng)濟指標(biāo)對比 表2

含少量抗震墻的框架結(jié)構(gòu)彈性層間位移角限值 表3

6 結(jié)論

文章以實際工程為例，通過對比少墻框架結(jié)構(gòu)和純框架結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的計算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在多層框架結(jié)構(gòu)中設(shè)置少量抗震墻，可有效提高框架結(jié)構(gòu)中的薄弱部位的剛度，改善框架結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)性能，減小彈性層間位移角，框架結(jié)構(gòu)的各項抗震性能指標(biāo)也均有所改善，同時造價提高幅度不多，因此少墻框架結(jié)構(gòu)在多層建筑中有很好的實用性。