论框架—剪力墙结构的抗震设计

2011-09-07杭州恒元建筑设计院有限公司胡志明

中国建设信息化 2011年5期

◎ 杭州恒元建筑设计院有限公司胡志明

前言

框架—剪力墙结构由框架和剪力墙两种不同的抗侧力结构组成，由于剪力墙的抗侧刚度比框架的抗侧刚度大得多，故它们的协同作用既可以提供整体结构较大的抗侧力，也利用了框架结构可以提供较大空间的优越性。因此这种结构体系整体性好、刚度大、侧向变形小、抗震性能好，易于满足高层结构中现行国家规范限定值要求，而得到广泛应用。

1.钢筋混凝土框架一剪力墙结构在水平地震作用下的内力和变形分析

目前在实际工程中，框架一剪力墙结构是一种广泛应用的抗震结构体系。它兼顾了框架结构和剪力墙结构的优点，充分发挥了框架布置灵活，延性较好而剪力墙抗侧力强的特点。根据多级设防原则的要求，在强震作用下，框架一剪力墙结构必然进入弹塑性阶段，在这一阶段，由于刚度退化在结构内部产生明显的塑性内力重分布，结构的受力及变形与弹性阶段有很大的区别。在框架一剪力墙结构中刚度特征值是一个与框架和剪力墙的刚度比有关的参数对框架一剪力墙结构的受力和变形特征有重大影响。震害分析与模型实验均表明，刚度退化系数、层间位移转角是两个较好的性能参数，它们能够较为理想地描述和评价框架一剪力墙结构的弹塑性性能。

2.框架一剪力墙结构的协同工作原理和侧移曲线特点

框架一剪力墙双重抗侧力体系，是采用剪切型的框架和弯曲型的剪力墙两种不同属性构件所组成的结构体系。两种构件通过各层楼板的联系进行协同工作，这将显著减小结构的顶点侧移和下部各楼层的最大层间侧移。单独剪力墙相当于竖向悬臂梁，在侧向力作用下的变形曲线为弯曲型。其特点是，越接近结构顶部，其水平位移增长越快，结构的上部层间位移大而下部层间位移较小。单独框架的整体变形属于剪切型变形，其形状类似于竖向悬臂梁由剪切变形产生的变形曲线，其特点是，结构的上部层间位移小而下部的层间位移大，越接近结构顶部，其水平位移增长越来越慢。框架一剪力墙结构通过平面内刚度很大的楼屋盖将框架和剪力墙结合在一起，使二者变形协调一致。因此，框架剪力墙结构变形曲线的特点应该是弯剪型变形，且在其变形曲线上存在有一反弯点，以反弯点为基准，下方侧移曲线为弯曲型，上方侧移曲线为剪切型，框架结构的底层层间位移(角)最大，剪力墙结构的顶层层间位移(角)最大。

框架一剪力墙结构侧移曲线的形状将随体系中剪力墙和框架的相对数量和抗侧移刚度比值而变化。剪力墙的数量很少时侧移曲线就接近剪切型；剪力墙的数量很多时，侧移曲线就向弯曲型靠近。框架和剪力墙之间产生相互作用力，上部为拉力，下部为压力。框架一剪力墙体系的顶点侧移主要取决于承担绝大部分水平力的剪力墙的变形。所以，采用框架一剪力墙体系后，由于框架与剪力墙的协同工作，不仅减少了结构顶点位移，更重要的是减小与结构和非结构部件破坏程度密切相关的层间侧移角。

3.框架一剪力墙结构抗震设计方法分析

3.1 框架一剪力墙结构基于性能的抗震设计

基于性能的抗震设计理论是基于“投资一效益”准则，以结构抗震性能分析为基础，针对每一种设防标准，将结构的抗震性能划分为不同的等级，根据业主的要求，采用合理的抗震性能目标和合理的结构措施进行设计。由此可见，基于性能的抗震设计理论与当前的抗震设计理论相比，具有强调设计的个性，有一定的自主选择抗震设防目标的空间，有利于促进技术革新，改变传统单一抗震设防目标的旧理念为多级设防的新理念，突出“投资一效益”准则相结合，优化结构设计方案、可靠地实现性能目标等显著特点。结构性能设计理论包括地震设防水准、结构抗震性能目标、结构抗震设计与分析方法的三个主要方面。这一理论的出现必将改变传统的设计方法。

传统的抗震设计方法：底部剪力法、振型分解反应谱法，均以设计加速度反应谱为基础，是当前最基本和最主要的抗震计算方法，两者均属于反应谱理论，是以承载力作为主要的控制参数。这种基于承载力的抗震设计方法的主要缺点在于难以准确描述结构在弹塑性阶段的工作情况，对结构在地震作用下破坏程度的控制不够，属于“被动抗震设计”；延性设计法、基于能量平衡极限设计法、基于损伤的设计方法均考虑了非弹性性能对结构抗震能力的贡献，它们分别以延性、能量、和反映结构损伤程度的某种指标作为设计控制参数，这三种方法最主要的缺点在于在实际设计中设计参数不易被工程人员掌握，难以实现设计者的思想；理论研究和实验证明，在对结构的抗震性能进行评估的过程中，采用变形指标可以较好地体现结构构件的损伤程度，也可以控制非结构构件的性能水平。同时历次震害表明，结构破坏、倒塌的主要原因是变形过大，超过了结构构件能承受的塑性变形能力。通过对比分析、理论论证，指出基于变形的抗震设计是目前实现性能抗震设计的有效途径。

3.2 框架一剪力墙结构基于位移的抗震设计

基于位移的抗震设计即根据钢筋混凝土框架-剪力墙结构的特点，将其性能划分为使用良好、保证人身安全和防止倒塌三个水平，并用层间位移角限值予以量化。以作用倒三角形水平分布荷载的等截面弯剪悬臂杆的侧移曲线作为其初始侧移模式。对于使用良好性能水平，将侧移曲线上反弯点对应的楼层处的层间位移角刚好达到相应限值时的侧移曲线作为目标侧移曲线，据此计算等效单自由度体系的等效参数以及原结构的基底剪力和各质点的水平地震作用。对于保证人身安全和防止倒塌的性能水平，根据Pushover曲线与需求曲线的关系对结构予以调整，使结构满足这两个性能水平的要求。

本例结构为一幢十层钢筋混凝土框架一剪力墙结构，抗震设防烈度为8度，Ⅱ类场地，设计地震分组为第一组，Ts=0.355。首层层高4.8m，2层4.0m，3-10层均为3.6m，梁、墙、板、柱混凝土均为现浇。混凝土强度等级：梁、柱、墙在1-3层为C35，4-6层为C30，7-10层为C20，纵向钢筋采用HRB335钢，箍筋采用HPB235钢。

框架一剪力墙结构在不同极限状态达到临界层间侧移角限值的楼层位置有移动的趋势，这也说明了弹性层间侧移角限值首先发生的楼层并不一定是结构最终破坏产生的地方，其原因是在中震和大震作用下框架一剪力墙结构发生了较大的内力重分布；按侧移相等的原则将框架一剪力墙结构中的剪力墙等效成梁柱，进而将框架一剪力墙结构转化为空间框架结构的方法具有一定的合理性。