高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

曹光輝

（中交第二航務(wù)工程局有限公司，武漢 430056）

1 工程概況

“云城尚品”一期建設(shè)項(xiàng)目（A 地塊），占地面積39 607.1 m2，地上、地下建筑面積分別為138 439.32 m2和55 426.8 m2。建筑采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，地基基礎(chǔ)由獨(dú)立條形基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)、地下室抗浮底板共同組成，局部設(shè)置有挖孔樁和抗拔樁。抗震設(shè)防等級(jí)：主樓三級(jí)，地下室二級(jí)，局部一級(jí)，抗震設(shè)防烈度6 度。項(xiàng)目總效果如圖1 所示。

圖1 項(xiàng)目總效果

2 高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

2.1 結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)

剪力墻與框架均屬于獨(dú)立的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，兩者在變形性質(zhì)等方面存在差異，在使用過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)局部單獨(dú)變形的情況。從位移量的角度看，普遍具有上部剪力墻的位移大于下部剪力墻位移的特點(diǎn)，而隨著位移量達(dá)到某限定值時(shí)，將影響框架結(jié)構(gòu)頂部與剪力墻的使用狀態(tài)，如以剪切型曲線(xiàn)形式發(fā)生的變形。因此，設(shè)計(jì)高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，必須高度重視框架和剪力墻的變形協(xié)調(diào)性，在框架和剪力墻結(jié)構(gòu)中尋求平衡點(diǎn)，協(xié)調(diào)好框架與剪力墻的受力變形關(guān)系。

2.2 結(jié)構(gòu)的受力條件

傳統(tǒng)框架在位移量增加時(shí)往往伴有形變減慢的變化特點(diǎn)。剪力墻結(jié)構(gòu)變形曲線(xiàn)與懸臂梁彎曲曲線(xiàn)高度一致，隨著位移量的增加，變形速度加大，在結(jié)構(gòu)剛度的作用下，結(jié)構(gòu)水平方向受力被等效分配。依托于樓蓋等相關(guān)附屬結(jié)構(gòu)，將原本保持獨(dú)立狀態(tài)的框架和剪力墻有效結(jié)合于一體，使其共同承受源自建筑的水平荷載。在此方式下，結(jié)構(gòu)受彎曲/剪切變形單獨(dú)影響的問(wèn)題得到有效的解決，有利于對(duì)各樓層結(jié)構(gòu)的位移量做針對(duì)性的控制，進(jìn)而保證結(jié)構(gòu)的安全性。在水平范圍內(nèi)，框剪結(jié)構(gòu)變形曲線(xiàn)呈反S 形，不同部位的剪力墻的狀態(tài)存在差異，其中，下部的形變量較小，承擔(dān)高層建筑絕大多數(shù)的水平向剪力，此方面也是框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。

3 高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法

3.1 機(jī)構(gòu)控制

隨著建筑剪力墻數(shù)量的增加和剛度的提升，會(huì)對(duì)框架剪力墻結(jié)構(gòu)的承載性能造成影響，較為直接的表現(xiàn)是在一定程度上削弱了框架剪力墻結(jié)構(gòu)的形態(tài)控制力度。針對(duì)此特點(diǎn)，在高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，宜通過(guò)計(jì)算在框架剪力墻結(jié)構(gòu)合適的部位設(shè)置適量的塑性鉸裝置。在該配置方式下，若高層建筑使用期間受到地震能量的沖擊作用，框架剪力墻結(jié)構(gòu)可進(jìn)行耗能，減小外部能量對(duì)建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性所造成的不良影響?？蚣芗袅Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 框架剪力墻結(jié)構(gòu)

3.2 優(yōu)化剪力墻的抗震性能

3.2.1 設(shè)計(jì)肢墻面積及具體形式

調(diào)整肢墻面積后，有利于提升結(jié)構(gòu)的抗震性能。在抗震設(shè)計(jì)中，以保證建筑功能正常使用以及結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性為基本前提，需對(duì)肢墻的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化，如采用雙肢墻、多肢墻。除此之外，應(yīng)加大對(duì)結(jié)構(gòu)洞口連梁與豎向施工縫的優(yōu)化力度，在該處形成具有足夠穩(wěn)定性的耗能機(jī)構(gòu)。諸如前述措施的落實(shí)，均有助于預(yù)防建筑剪切破壞、過(guò)早屈服等異常狀況。

3.2.2 設(shè)置梁柱結(jié)構(gòu)

在剪力墻周邊增設(shè)梁柱結(jié)構(gòu)，可構(gòu)成完整、穩(wěn)定可靠的邊框剪力墻，有效抑制斜向裂縫的發(fā)展。建筑遇到地震災(zāi)害時(shí)，邊框剪力墻在短時(shí)間內(nèi)具有替代剪力墻結(jié)構(gòu)的作用，可充分發(fā)揮在承載性能方面的優(yōu)勢(shì)，有效抵抗附加剪應(yīng)力，減小該部分應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)所造成的不良影響。

3.2.3 分散布置

綜合考慮剪力墻的數(shù)量、面積、尺寸、剛度，遵循分散設(shè)計(jì)的原則，有序?qū)⒓袅σ?guī)劃在特定的位置，使剪力墻構(gòu)件均有足夠的安全距離。除此之外，根據(jù)剪力墻的布設(shè)方案選擇尺寸和數(shù)量均合適的抗側(cè)力構(gòu)件，用于增強(qiáng)剪力墻的穩(wěn)定性[1]。

3.3 優(yōu)化框架結(jié)構(gòu)的抗震性能

3.3.1 設(shè)置角柱

角柱是高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系中不容或缺的部分，其具有連接橫、縱向框架的作用。從角柱的組成關(guān)系看，角柱的抗剪性能將直接對(duì)框架的整體性能造成影響，同時(shí)也關(guān)聯(lián)于框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系的抗震性。在具體的設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)高度注重角柱的強(qiáng)化處理，以可行的方法提高角柱的抗剪性能。落實(shí)此方面的工作后，可提高框架剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能。

3.3.2 設(shè)置鋼筋混凝土剪力墻板

受地震能量的沖擊作用，高層建筑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)受到影響，可能有側(cè)向過(guò)度位移的情況。為保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，設(shè)置適量鋼筋混凝土剪力板構(gòu)件，通過(guò)此類(lèi)裝置的應(yīng)用，規(guī)避框架剪力墻結(jié)構(gòu)剪力滯后的問(wèn)題，切實(shí)提高結(jié)構(gòu)的剛度。此時(shí)，當(dāng)建筑受到地震能量沖擊作用后，高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)幾乎無(wú)側(cè)向位移，整體仍維持原狀。

3.3.3 設(shè)置贅余構(gòu)件

在地震沖擊能量的作用下，高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)可能會(huì)產(chǎn)生共振效應(yīng)，隨之破壞結(jié)構(gòu)，使其受損、失穩(wěn)。對(duì)此，可根據(jù)高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)增設(shè)適量的贅余構(gòu)件，防止共振效應(yīng)的發(fā)生。例如，可采用偏交斜撐構(gòu)件，用鋼管制作偏心連接支撐件，用鋼纖維混凝土制作折曲支撐件，不再采用軸邊耗能方式，取而代之的是更有利于維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的彎曲耗能方式。

3.4 優(yōu)化結(jié)構(gòu)整體的抗震性能

3.4.1 設(shè)置塑性鉸構(gòu)件

在高層框剪結(jié)構(gòu)的合適部位增設(shè)適量的塑性鉸構(gòu)件，可以有效提高結(jié)構(gòu)的形變控制力，從而取得較為良好的屈服效果。若建筑物受到地震能量的作用，塑性鉸構(gòu)件將作為耗能機(jī)構(gòu)使用，減小能量對(duì)框架剪力墻結(jié)構(gòu)的不良影響，從而保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與完整性[2]。

3.4.2 增強(qiáng)剛度和延性的一致性

框架與剪力墻各自在剛度、延性系數(shù)等多項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)方面均存在差異，發(fā)生地震災(zāi)害后，各自的狀態(tài)不盡相同，難以有效協(xié)調(diào)各類(lèi)構(gòu)件，如易出現(xiàn)先后破壞的情況。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)必須注重框架與剪力墻兩部分結(jié)構(gòu)，采取合適的設(shè)計(jì)措施，提升兩者在剛度方面的協(xié)調(diào)性，使其在遇到地震沖擊作用時(shí)能夠具有同步性，共同抵御外部作用力，有效保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.4.3 控制剪力墻的數(shù)量

在高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)的組成中，隨著剪力墻數(shù)量的增加，其剛度與體積也相應(yīng)變大，會(huì)對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)自振周期造成影響（變?。?，若建筑遇到地震能量的沖擊，更易受到破壞，存在嚴(yán)重的危害。針對(duì)此問(wèn)題，在高層框架剪力墻的設(shè)計(jì)中，需要控制好剪力墻的數(shù)量。具體而言，要在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)正常使用的基礎(chǔ)上控制剪力墻的數(shù)量及剛度，使其穩(wěn)定在許可范圍內(nèi)。此時(shí)，適量的剪力墻可以發(fā)揮出應(yīng)有的作用，連同框架結(jié)構(gòu)共同受力，為高層建筑結(jié)構(gòu)提供安全層面的保障。

3.5 框架的參數(shù)分析及抗震端的設(shè)置

在高層框架設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員需密切關(guān)注各項(xiàng)工程信息，包含連梁跨高比、剛度與縱面墻長(zhǎng)度等，通過(guò)對(duì)多項(xiàng)信息的全方位分析，評(píng)估框架設(shè)計(jì)的合理性，若存在不足之處，則及時(shí)予以調(diào)整。設(shè)計(jì)時(shí)，將長(zhǎng)墻體劃分為適量的節(jié)段，墻體高度約為墻寬的2 倍，在墻體結(jié)構(gòu)的兩端分別設(shè)置約束裝置，目的在于減小剪切變形量，從源頭上規(guī)避剪切破壞現(xiàn)象的發(fā)生。對(duì)于抗震端的設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)充分考慮其與框肢墻的界面高度差，為提高抗震端的抗震性能，需減小該高度差值，形成相均衡的狀態(tài)。除此之外，有必要詳細(xì)檢查抗震端底部的實(shí)際情況，若存在結(jié)構(gòu)不完善、穩(wěn)定性不足等問(wèn)題，也應(yīng)做針對(duì)性的優(yōu)化[3]。

3.6 框架部分內(nèi)力的調(diào)整

受水平地震作用，剪力墻還要承受較大的地震剪切力，框架結(jié)構(gòu)雖然受力，但僅受小部分剪切力，換言之，水平地震作用所產(chǎn)生的剪切力主要由剪力墻承受。在整個(gè)抗震結(jié)構(gòu)體系中，墻體是第1 道防線(xiàn)，其受損時(shí)間提前于框架。在剪力墻內(nèi)部塑性發(fā)生改變后，地震的剪切力分布也隨之變化，框架部分所需承受的剪切力有所增加。在調(diào)整工作中，應(yīng)根據(jù)計(jì)算的內(nèi)力進(jìn)行框架部分的抗震設(shè)計(jì)，且考慮到框架部分無(wú)法作為第2道防震線(xiàn)的特點(diǎn)，在適度的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)框架所采用的剪切力，由此提高框架的整體承受能力，使其具備足夠的抗側(cè)力，發(fā)揮框架第2 道防線(xiàn)的作用。內(nèi)力的調(diào)整需得到充分的關(guān)注，樓板的橫向剛度分布狀態(tài)必須合理，即沿垂直方向以均勻的方式分布，按照該思路對(duì)樓板及相鄰層做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

3.7 提升“一”字形墻肢的耐受力

“一”字形墻體也是房屋建筑中較為常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式，其通常被布設(shè)在房屋結(jié)構(gòu)的中部，該類(lèi)結(jié)構(gòu)的側(cè)向承重能力極為有限，明顯加大了墻肢承載力的計(jì)算難度，可能會(huì)由于該部分設(shè)計(jì)不當(dāng)而對(duì)房屋的整體使用情況造成影響。對(duì)于此局限性，在房屋建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能減少“一”字形墻肢的數(shù)量，非必要時(shí)不采用該類(lèi)結(jié)構(gòu)。此外，對(duì)該類(lèi)墻肢的形狀加以?xún)?yōu)化也是可行的方法，即設(shè)置為L(zhǎng) 形或T 形，此時(shí)其側(cè)向剛度有所提升，對(duì)于保證房屋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性而言具有積極意義。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在現(xiàn)階段的高層建筑結(jié)構(gòu)組成中，框架剪力墻結(jié)構(gòu)占據(jù)較大的比重，其充分發(fā)揮出框架和剪力墻各自的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。但設(shè)計(jì)中涉及框架與剪力墻的協(xié)調(diào)問(wèn)題，作為設(shè)計(jì)人員，在抗震設(shè)計(jì)工作中應(yīng)精準(zhǔn)把握設(shè)計(jì)要點(diǎn)，采用行之有效的抗震設(shè)計(jì)方法，從數(shù)量、尺寸等方面做好框架與剪力墻結(jié)構(gòu)的配置工作，構(gòu)成穩(wěn)定可靠的框剪結(jié)構(gòu)體系，發(fā)揮出整體結(jié)構(gòu)在抗震方面的性能優(yōu)勢(shì)，保證建筑的正常使用。