高烈度區(qū)多層建筑中少量剪力墻框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

魏鑒棟，張廣博

（漢嘉設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310005）

1 概 述

目前在建的住宅、辦公樓、宿舍、學(xué)校教學(xué)樓、大型綜合體等建筑物中，大多采用多層框架結(jié)構(gòu)體系。在抗震設(shè)防烈度為6度地區(qū)的多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的截面設(shè)計(jì)主要由軸壓比決定，而在7度（Ⅲ類場地）或8度地區(qū)主要是由層間位移角控制。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要滿足位移角要求只有提高材料強(qiáng)度，加大梁柱截面尺寸，而過大的梁柱截面尺寸除給建筑使用帶來不便，更直接的是“高梁寬柱”給建設(shè)單位造成設(shè)計(jì)保守、浪費(fèi)的印象，甚至對設(shè)計(jì)單位的聲譽(yù)和后續(xù)項(xiàng)目的合作也造成了一定的影響。

剪力墻構(gòu)件本身側(cè)向剛度較大，能有效抵抗結(jié)構(gòu)水平力，在水平力作用下側(cè)向變形很小。高烈度的框架結(jié)構(gòu)中設(shè)置少量的剪力墻，組成少墻框架結(jié)構(gòu)，在純框架結(jié)構(gòu)體系無法滿足規(guī)范對位移控制要求時(shí)，充分發(fā)揮剪力墻的側(cè)向剛度，減少水平位移，改善框架的抗扭轉(zhuǎn)性能，從而在不加大梁柱截面尺寸情況下滿足規(guī)范要求，也符合建設(shè)單位經(jīng)濟(jì)、安全的設(shè)計(jì)需求；但是，目前對于少墻框架的設(shè)計(jì)原則并不明確，在實(shí)際工程當(dāng)中的應(yīng)用甚少。

在少墻框架設(shè)計(jì)中，層間位移角的限值未有明確規(guī)定，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011—2010）》6.1.3條條文說明提出：框架結(jié)構(gòu)布置的少量剪力墻需按框架部分承擔(dān)傾覆力矩的多少來確定層間位移角限值，其限值按框架的1／550和框架-剪力墻的1／800兩者之間偏于安全內(nèi)插［1］。有學(xué)者經(jīng)過模型分析發(fā)現(xiàn)，底層剪力墻部分承擔(dān)的地震傾覆力矩隨墻肢的增長而增大，相應(yīng)層間位移角雖減小但是減小幅度并不明顯，按線性內(nèi)插來分級控制層間位移角很難滿足［2］。同時(shí)朱炳寅提出，少墻框架的層間位移角仍可按1／550限制［3］，而此限值也對剪力墻的數(shù)量也做出了新的要求。剪力墻和框架存在協(xié)同作用，剪力墻布置過多會使其承擔(dān)更大的地震抗傾覆力矩，往往會造成剪力墻超筋，如果按框架-剪力墻進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，會使少量的剪力墻承擔(dān)第一道抗震防線的任務(wù)［3-4］。程熙等人［5］提出，可以允許剪力墻出現(xiàn)一定的開裂，隨層間位移角的增加，其抗側(cè)剛度出現(xiàn)一定的退化，各樓層的最大層間位移角限值仍應(yīng)滿足框架結(jié)構(gòu)的最小限值，并因此判斷少墻框架結(jié)構(gòu)體系仍屬于框架結(jié)構(gòu)體系。

結(jié)合以往學(xué)者的工程實(shí)例研究［6-8］，少墻框架可以有效減小結(jié)構(gòu)側(cè)向位移，提高結(jié)構(gòu)的抗扭性能。楊樹標(biāo)等人［9］認(rèn)為多層框架結(jié)構(gòu)體系的破壞主要是由其中的框架部分引起的，通過分析不同地震程度下結(jié)構(gòu)層間位移角以及塑性鉸的變化情況，發(fā)現(xiàn)少墻框架體系的抗震效果明顯優(yōu)于純框架結(jié)構(gòu)體系。

本文通過對已有研究的理解與分析，結(jié)合工程實(shí)例來探討少墻框架結(jié)構(gòu)在工程實(shí)際中的應(yīng)用。

2 少墻框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則

2.1 剪力墻布置的數(shù)量和肢長

剪力墻沿建筑物的全高設(shè)置，否則會引起建筑豎向的剛度突變。在反復(fù)的試算過程中要把握住“少數(shù)”的定義，若剪力墻布置太少，則難以發(fā)揮剪力墻的結(jié)構(gòu)特性，沒有達(dá)到設(shè)置剪力墻的目的；若布置太多，則違背了少墻框架設(shè)置的初衷，結(jié)構(gòu)體系不夠明確。為了使少量剪力墻不處于“第一道防線”地位，需對其抗傾覆力矩占比作出要求，本文以高規(guī)［10］8.1.3規(guī)定的框架承受大于80%地震傾覆彎矩作為少墻標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)于剪力墻肢長要求，有學(xué)者［6-7］考慮剪力墻設(shè)置過長會使剪力墻部分吸收的地震能量過多，均將剪力墻設(shè)為短肢剪力墻。但是短肢剪力墻存在反彎點(diǎn)，會減弱在框架中對層間位移角的控制。本文考慮到布墻位置使用功能不做肢長要求。

2.2 剪力墻布置位置

框架結(jié)構(gòu)多用于公建，如果將剪力墻布置在結(jié)構(gòu)中部，往往難以選擇合理落點(diǎn)，同時(shí)剪力墻布置在結(jié)構(gòu)內(nèi)部會增加內(nèi)部剛度而不利于抗扭。有學(xué)者經(jīng)驗(yàn)證提出，中部布置少量剪力墻可能會對結(jié)構(gòu)體系的振動產(chǎn)生不利影響［7］?？蚣芙Y(jié)構(gòu)側(cè)向位移最大的部位均出現(xiàn)在角部，且考慮到加強(qiáng)外圍結(jié)構(gòu)剛度、弱化內(nèi)部剛度利于周期比的調(diào)控，本文將剪力墻布置在框架角部，形成帶邊框剪力墻，并在兩主軸方向雙向布置。此時(shí)剪力墻構(gòu)造上要考慮與周邊構(gòu)件的連接，便于其損壞后修補(bǔ)。

2.3 剪力墻的配筋

對于框架抗傾覆力矩占比大于80%的少墻框架，框架的抗震等級按純框架結(jié)構(gòu)確定；剪力墻抗震等級可與其框架部分抗震等級相同。朱炳寅提出，將結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行純框架結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)計(jì)算，取兩者較大值進(jìn)行框架部分的配筋，即包絡(luò)設(shè)計(jì)，剪力墻不考慮計(jì)算結(jié)果，按構(gòu)造配筋設(shè)計(jì)［3］。此做法考慮了框架-剪力墻的協(xié)同作用，也兼顧了少量剪力墻是用于調(diào)節(jié)位移角的本質(zhì)。也有學(xué)者提出，先對框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)算（按純框架結(jié)構(gòu)計(jì)算），使承載力滿足要求而位移角不做控制，獲得框架的截面和配筋，而后布置剪力墻控制位移角，配筋按構(gòu)造配筋設(shè)置［12］。這一設(shè)計(jì)做法將框架和剪力墻完全分割，充分體現(xiàn)了剪力墻取用只是用于提高結(jié)構(gòu)整體剛度、控制層間位移角，不起“第一防線”作用。同時(shí)，這兩種配筋設(shè)計(jì)中，剪力墻的做法均會使結(jié)構(gòu)的剪力墻部分在罕遇地震作用時(shí)退出工作。

本文選取前者做法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，建立了三種類型框架結(jié)構(gòu)體系：①框架結(jié)構(gòu)1（純框架體系）、②少墻框架、③框架結(jié)構(gòu)2（將少墻框架中的剪力墻刪除，并將墻體自重以線荷載形式加到框架結(jié)構(gòu)上），并對①②結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行抗震指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的對比分析，③用于驗(yàn)證大震下②結(jié)構(gòu)的彈塑性位移角限值以及小震時(shí)框架包絡(luò)設(shè)計(jì)的配筋驗(yàn)算。

3 工程概況

本工程為一綜合商場，商場由4個(gè)單體組成，單體尺寸154 m×130 m。地下1層，層高5.1 m；地上4層，首層層高5.7 m，2～4層層高5.2 m，大部分柱網(wǎng)間距為9 m×10 m。本工程抗震設(shè)防烈度為7度（0.15 g），乙類建筑，場地類別為Ⅲ類場地，地面粗糙度為B類，基本風(fēng)壓為0.45 kN／m2。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)增設(shè)了抗震縫，本文以抗震縫左側(cè)單體為例。

框架和剪力墻的抗震等級均為二級，結(jié)構(gòu)分析時(shí)，先建立純框架結(jié)構(gòu)體系作為基礎(chǔ)模型，保證其梁柱滿足承載力要求，層間位移角暫不作控制，而后作如下處理：1）在基礎(chǔ)模型上加大梁柱截面使其位移角滿足規(guī)范要求，并取得截面和配筋，構(gòu)成框架結(jié)構(gòu)1。2）在基礎(chǔ)模型上布置剪力墻控制層間位移角，將結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行純框架結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)計(jì)算，配筋按包絡(luò)設(shè)計(jì)確定，構(gòu)成少墻框架。3）將構(gòu)成的少墻框架體系中的剪力墻以線荷載形式施加于梁柱上，以確定其大震下的位移角，構(gòu)成框架結(jié)構(gòu)2。最終的剪力墻配筋均按構(gòu)造配置。

剪力墻均布置在各區(qū)域角部，墻厚取200 mm，X向墻長1 400 mm，Y向墻長1 550 mm，墻體布置見圖1。

圖1 少墻框架平面布置

4 計(jì)算分析

采用YJK建模分析，模型具體信息見表1。

表1 地上模型信息

由表1可知，少墻框架結(jié)構(gòu)的梁柱截面小于純框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尺寸，基本滿足建筑專業(yè)對建筑物室內(nèi)空間的使用要求。

少墻框架模型中框架的X、Y向所占地震傾覆力矩分別為81.9%和80.7%，均大于80%，滿足本文少墻標(biāo)準(zhǔn)。通過基礎(chǔ)模型和少墻框架對比，可以發(fā)現(xiàn)少量剪力墻的設(shè)置有效減小了結(jié)構(gòu)的層間位移角，滿足了1／550的限值要求，見表2。同時(shí)，在框架結(jié)構(gòu)1和少墻框架的層間位移角相差很小的情況下，少墻框架的周期比降低明顯，充分發(fā)揮了其抗扭轉(zhuǎn)性能，進(jìn)一步說明本文少量剪力墻的布置具有一定的合理性。

表2 計(jì)算結(jié)果

通過對大震下框架結(jié)構(gòu)2的計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)其X、Y向的層間位移角均不大于1／50，這符合實(shí)際工程設(shè)計(jì)中少墻框架的位移控制原則。

本文只對梁、柱、墻的的材料用量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，與框架結(jié)構(gòu)1相比，少墻框架的材料造價(jià)只增加1.0%，經(jīng)濟(jì)上并未造成浪費(fèi)。

5 結(jié) 語

1）通過某高烈度地區(qū)綜合商場的實(shí)例分析發(fā)現(xiàn)，在純框架結(jié)構(gòu)難以滿足層間位移角的限值時(shí)，少墻框架結(jié)構(gòu)可以有效解決限值要求，并避免了“肥梁胖柱”的出現(xiàn)，較小的梁柱截面更符合建筑對空間功能的使用要求。

2）通過框架的抗傾覆力矩比不大于80%控制剪力墻的布置數(shù)量，當(dāng)剪力墻在角部均勻布置時(shí)，少墻框架結(jié)構(gòu)可以展現(xiàn)比純框架結(jié)構(gòu)更有效的抗扭性能。

3）在控制位移比相近的情況下，相較于純框架結(jié)構(gòu)，少墻框架的設(shè)置并未在經(jīng)濟(jì)上造成浪費(fèi)。