高层框架剪力墙结构抗震设计的技术要点分析

陈秀华 高文龙 李超

摘要：高层建筑体型日趋复杂,各种不同功能的用房综合在一起,组成形态各异摩肩接踵的高层建筑, 给结构设计增加了一定的难度, 而框架--剪力墙结构体系具有灵活组成使用空间的优点, 比较容易满足建筑物的使用要求, 而且框架--剪力墙结构体系有较高的承载力, 较好的延性和整体性, 并且有很强的吸收地震力的能力, 从而大大减小了结构本身的侧移, 因此在实际工程中得到广泛的应用。本文论述了高层框架剪力墙结构抗震设计的技术要点。

关键词：高层；框架剪力墙；结构；抗震设计

Abstract : The high-rise building size is complicated, all kinds of different function room of comprehensive together, various forms of dispatches of high-rise building, to structure design increases some degree of difficulty, and frame shear wall structure-with flexible system of space of the advantages to use, easier to satisfy the requests, and frame shear wall structure system-have higher bearing capacity, better ductility and integrity, and have a strong absorption seismic forces ability, thus greatly reduced the structure itself lateral, therefore widely applied in the practical engineering. This paper discusses main techniques in the top frame shear wall structure seismic design.

Key Words: top; frame shear wall; structure; seismic design

中圖分类号：TU973+.31文献标识码：A文章编号：

随着我国国民经济不断发展, 对高层建筑的需求愈来愈大,且高层建筑体型日趋复杂。城市高层建筑的结构设计大多采用框架--剪力墙结构体系, 这种体系由钢筋混凝土框架和钢筋混凝土剪力墙两部分组成, 框架的梁柱为刚接, 框架与剪力墙可为刚接,也可为铰接。高层建筑体型日趋复杂,各种不同功能的用房综合在一起,组成形态各异摩肩接踵的高层建筑, 给结构设计增加了一定的难度, 而框架--剪力墙结构体系具有灵活组成使用空间的优点, 比较容易满足建筑物的使用要求, 而且框架--剪力墙结构体系有较高的承载力, 较好的延性和整体性, 并且有很强的吸收地震力的能力, 从而大大减小了结构本身的侧移, 因此在实际工程中得到广泛的应用。

一、框架-剪力墙结构体系的受力特点

框架是由梁柱线性杆件组成的, 框架的受力特点类似竖向悬臂剪切梁,其变形曲线为剪切形,在纯框架的结构中,所有框架的变形曲线都是类似的,所以,水平力按各框架的抗推刚度 D比例分配,剪力墙是竖向悬臂弯曲结构,其变形曲线为弯曲形,在平面内有很大的抗弯曲刚度,在一般剪力墙结构中,所有抗侧力构件剪力墙的侧移曲线都是类似的, 水平力在各片剪力墙之间按其等效刚度EI比例分配,框架-剪力墙结构体系的受力特点。在同一结构单元中, 二者是通过水平面内刚度无限大的楼板连接在一起的, 以至于它们不能单独按各自的弯曲变形或剪切变形而自由变形， 它们在同一楼层的位移必须相等， 在不考虑扭转的情况下,由于框架与剪力墙共同工作,彼此相互作用,这样,在框架-剪力墙结构上部,剪力墙被框架向后拉,在框架-剪力墙结构下部,剪力墙被框架向前推,而框架的受力情况正好与此相反， 沿竖向剪力墙与框架之间水平力的分配不是一个定值,它随着楼层的改变而改变, 水平力在框架与剪力墙之间既不按等效刚度EI分配,也不能按抗推刚度 D分配,框架-剪力墙结构中,顶部剪力不为零,这是因为顶部剪力墙共同工作,相互之间必然产生荷载； 框架的最大剪力值在结构中部,框架底部剪力为零,全部剪力均由剪力墙承担。

二、框架-剪力墙结构中剪力墙的布置

剪力墙的布置一般原则是均匀、 分散、 对称、 周边及均匀,分散原则是要求剪力墙片数不要太少, 而且每片剪力墙刚度不要太大,连续尺寸不要太长,使抗侧力构件数量多一些,分散一些,每片剪力墙的弯曲刚度适中, 在使用中不会因为个别墙的局部破坏而影响整体的抗侧力性能, 也不会使个别墙的受力太集中,负担过重而引起过早的破坏,刚度过大的墙承担的内力也大,相应的基础处理难度增加,同时也考虑到剪力墙相距太远,楼面刚度要求大,很难满足要求,周边的原则是考虑建筑物抵抗扭转能力,便于保证刚度中心与平面中心相吻合。

剪力墙布置在周边对称位置,增加抵抗扭转的内力臂,在不增加剪力墙面积的情况下,提高抗扭转能力， 剪力墙布置的位置应设在平面形状变化处,即:角隅、 端角、 凹角， 这些部位往往是应力集中处,设置剪力墙给予加强是很有必要的； 高层建筑的楼梯间、 电梯间、 管道井处等的楼面开洞严重地削弱楼板刚度,对保证框架与剪力墙协同工作极为不利。

因此,在工程设计中用剪力墙来加强这些薄弱端部,如楼梯间、 电梯井道处、 竖向管道井设计加强的钢筋混凝土墙是十分有效的,剪力墙的间距:现浇钢筋混凝土楼盖 L/B=2～ 4 为宜； 装配整体式钢筋混凝土楼盖 L/B=1～ 2.5 为宜， 原则是建筑物愈高、 抗震中应用最广的是空间杆-薄壁杆系矩阵位移法。 这是目前工程上采用最多的计算模型。

三、高层框剪结构抗震设计的技术要点

1、改善整体抗震能力

(1)设计中采用机构控制达成总体屈服效果。在框剪结构中的特定位置, 设置一定数量的“塑性铰”,实现对塑性铰发生位置、 次序、 形变程度的控制,使结构在地震时形成较好的耗能机构。在水平向力的作用中,水平的构件首先屈服,然后才是竖向构件。

(2)平衡结构刚度和承载能力。在框架 -剪力墙结构中,剪力墙的数量增多,体积增大,刚度也会随之增加。但是,这就会使结构的自振周期变小,总体水平地震作用加大; 反之, 结构的刚度就会减小,地震力作用也就变小。因此,在设计过程中,应当根据建筑的基本情况来综合考量,将建筑的设防烈度、高度、 装修等级等内容考量在内, 以确定结构允许的位移的最大限值,从而确定剪力墙的数量和体积,保证经济和安全并重。

(3)刚度与延性的和谐统一。框架与剪力墙结构在刚度和弹性限值、 延性系数等方面都存在着一定的差异,这就给框剪结构抗震性能的提升制造了难题。理论上,框剪结构会出现各个构件不能协调性发挥作用,而出现先后破坏、 各个击破的情况, 这就大大降低了结构中各个构件的有效性和抗震的可靠程度。所以,在设计中应将各个构件协调起来,使刚度与延性和谐统一,以此保证建筑的抗震需求。

2、提高剪力墙的抗震能力

( 1)在设计过程中, 在剪力墙的周围增加梁柱结构,形成边框剪力墙。这样可阻止斜向的裂缝不会向邻近的结构扩展, 也可以在剪力墙遭到破坏后代替其承载。这里增加的边框结构应具备斜截面的承载能力,以抵抗剪力墙开裂后对梁柱施加的附加剪应力。

( 2)合理的肢墙面积。这种方法的思路是将肢墙的面积变小,利用结构形式使其形成多肢墙或者双肢墙,可以控制裂缝和屈服部位出现在结构竖缝和洞口的连梁位置,形成一个耗能的结构。而且这样的剪力墙可以降低刚度, 避免在地震时发生剪切破坏和底部墙体过早屈服。

3、改善框架的抗震能力

(1)對框架结构的角柱进行强化。角柱是连接横纵框架的关键,要增加框架结构的整体性,就需要增强角柱的抗剪能力。

(2)在外围框架的平面内设计一定数量的钢筋混凝土剪力墙墙板, 这样可以有效地克服框架的剪力滞后的情况,提高框架结构的整体性和抵抗推力的刚度,减少整体结构的侧向移动,特别是层间的位移,其形式为 K或者 X型。但是, 应注意这样的结果是延性较差,如果在墙板上适当地设计十字开口,人为地使之出现结构薄弱部位,形成延性的耗能墙板,则更加有效。

(3)在结构中增加偏交斜撑等赘余构件, 用弯曲耗能的形式代替轴变的耗能形式, 其中折曲支撑可以利用钢纤维混凝土杆来制造, 偏心连接支撑一般采用钢杆或者劲性钢筋混凝土杆构成。在强烈的地震中,一方面可以利用这些赘余的杆件来实现先行屈服和形变消耗地震能量;另一方面,当这些赘余构件因为形变而失去作用后,整体结构会发生稳定体系的变化,而诱发建筑自振周期的改变,可以避免地震造成的建筑物的共振效应。

在框架--剪力墙结构设计中,剪力墙刚度的确定除了必须满足强度条件外, 还必须使结构具有一定的侧向刚度。因此, 剪力墙刚度的大小将直接影响到结构的安全性及工程造价。在框-剪结构初步设计阶段, 简捷、正确地确定框剪结构中剪力墙最优数量,不但可避免重复繁琐的结构刚度调整计算,还可以达到经济的目标。

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