探索剪力墻抗震設(shè)計(jì)在高層框剪結(jié)構(gòu)建筑中的作用

關(guān)鍵詞：框剪結(jié)構(gòu)；剪力墻；受力變形；抗震設(shè)計(jì) 

　　框剪結(jié)構(gòu)，由于其良好的抗震性能和廣泛的實(shí)用被廣泛的應(yīng)用于我國(guó)的高層框剪結(jié)構(gòu)建筑中，我國(guó)內(nèi)地高層建筑從50年代開(kāi)始自行設(shè)計(jì)和建造，50年代末在北京建成了一批高層公共建筑和旅館建筑，民族飯店（14層）、民族文化宮（13層）等其中的較多建筑均采用了框剪結(jié)構(gòu)。在高層框剪結(jié)構(gòu)建筑中，水平力將主要由剪力墻承受，剪力墻承受的水平力為80%左右，框剪僅僅承受20%左右的水平力。在進(jìn)行高層框剪結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)時(shí)，剪力墻的剛度除了滿足一定的強(qiáng)度條件外，還必須有一定的側(cè)向剛度，以免在地震作用下產(chǎn)生過(guò)大的變形。結(jié)構(gòu)剛度過(guò)小或者過(guò)小在一定的程度上會(huì)造成不必要的經(jīng)濟(jì)的浪費(fèi)。因此，剪力墻的合理設(shè)計(jì)是高層框剪結(jié)構(gòu)抗震性能與經(jīng)濟(jì)合理性的關(guān)鍵問(wèn)題。 

　　1 框剪結(jié)構(gòu)高層建筑的特點(diǎn) 

　　1.1 框剪結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn) 

　　框架剪力墻結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱框剪結(jié)構(gòu)，是一種在當(dāng)代高層建筑設(shè)計(jì)普遍采用的結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)主要的布置方法是運(yùn)用剪力墻構(gòu)成靈活自由的使用空間，使建筑物的功能得到滿足。框剪結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)是由剪力墻和框架兩種不同結(jié)構(gòu)組成的另外一種新的的受力結(jié)構(gòu)形式。所以它的框架和剪力墻不同于純框架中的框架，也不同于純剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻。在框剪結(jié)構(gòu)中，剪力墻的主要作用是是主要抵抗來(lái)自于外界的水平力。在框剪結(jié)構(gòu)中，在主軸的方向都須布置剪力墻，形成雙向抗水平力。如果僅在框剪結(jié)構(gòu)中的一個(gè)主軸方向布置剪力墻，將會(huì)造成兩個(gè)主軸方向的抗側(cè)剛度懸殊。無(wú)剪力墻的方向與有剪力墻的方向在受力上不協(xié)調(diào)，這樣會(huì)導(dǎo)致框剪結(jié)構(gòu)的整體扭轉(zhuǎn)。在框剪結(jié)構(gòu)主軸的兩個(gè)方向設(shè)置剪力墻時(shí)，在地震作用下，當(dāng)其中一部分有所損傷時(shí)，另一部分有足夠的剛度和承載力，承受較多的地震作用，安全可靠，從而達(dá)到防震的效果。 

　　我國(guó)規(guī)范規(guī)定在基本振型地震作用下，框架部分承擔(dān)的地震傾覆力矩應(yīng)小于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的50%；歐洲規(guī)范 （EC8）（CENl994） 規(guī)定框剪結(jié)構(gòu)中的剪力墻在房屋底部，受剪承載力不應(yīng)小于底部總受剪承載力的35%。 

　　1.2 框剪結(jié)構(gòu)在力的作用下的變形 

　　框剪結(jié)構(gòu)在側(cè)向力的作用下，剪力墻的變形以彎曲為主，框剪側(cè)向變形以剪切為主。在實(shí)際的過(guò)程中往往由樓板來(lái)協(xié)同工作，由于樓板平面內(nèi)剛度很大（計(jì)算中假定為無(wú)限剛性），在同一樓板處必有相同的位移，在框剪結(jié)構(gòu)中，形成具有反S形的彎剪型變形的特有曲線，如圖1所示。 

　　在框剪結(jié)構(gòu)中，剪力墻下部位移增長(zhǎng)緩慢，側(cè)移比較小，對(duì)框架提供幫助，剪力墻將框架向左拉，框剪的側(cè)移比剪力墻單獨(dú)側(cè)移大，比框架單獨(dú)的側(cè)移較�。辉谏喜�，框架把墻向左邊推，其側(cè)移比框架單獨(dú)側(cè)移大，比剪力墻單獨(dú)側(cè)移小。最終框剪結(jié)構(gòu)的側(cè)移大大減小，使框架和剪力墻中內(nèi)力分布更趨合理。 

　　由于剪力墻的側(cè)移剛度大于框架，所以剪力墻分配到的剪力也大于框架分配到的剪力。由于上述變形協(xié)調(diào)的作用，剪力墻和框架的剪力分布和荷載沿著樓層的高度在不斷調(diào)整�？蚣艚Y(jié)構(gòu)在水平力作用下，框架與剪力墻之間樓層剪力的分配比例和各樓層剪力分布情況隨著樓層所處高度而變化，與結(jié)構(gòu)剛度特征值 直接相關(guān)。在高層框剪結(jié)構(gòu)建筑中中，剪力控制部位在房屋高度的中部甚至在上部框架底部剪力為零（如圖2 所示）。 

　　2 在高層框剪結(jié)構(gòu)建筑中剪力墻的布置以及抗震設(shè)計(jì)和構(gòu)造 

　　通過(guò)以上的分析和研究，我們得知了框剪結(jié)構(gòu)的受力及變形特點(diǎn)和水平力在框架和剪力墻之間的分配。在設(shè)計(jì)高層框剪結(jié)構(gòu)建筑的時(shí)候要結(jié)合以上框剪結(jié)構(gòu)的變形以及水平力在框架和剪力墻之間的分配的特征，合理的對(duì)剪力墻和框剪結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，構(gòu)造以及施工，確保高層框剪結(jié)構(gòu)建筑的抗震的設(shè)計(jì)要求。 

　　2.1 剪力墻在框剪結(jié)構(gòu)中布置 

　　在框剪結(jié)構(gòu)中，剪力墻的位置、截面尺寸、形狀和數(shù)量等會(huì)影響到結(jié)構(gòu)的剛度，特別是剪力墻的位置和數(shù)量決定或者影響了結(jié)構(gòu)的剛度。 

　　2.1.1 剪力墻在框剪結(jié)構(gòu)中的位置的布置 

　　根據(jù)規(guī)范的要求，框剪結(jié)構(gòu)中剪力墻的布置符合下列原則和要求：（1）抗震墻宜貫通房屋全高。（2）樓梯間宜設(shè)置抗震墻，但不宜造成較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。（3）抗震墻的兩端（不包括洞口兩側(cè)）宜設(shè)置端柱或與另一方向的抗震墻相連。（4）房屋較長(zhǎng)時(shí)，剛度較大的縱向抗震墻不宜設(shè)置在房屋的端開(kāi)間。（5）抗震墻洞El宜上下對(duì)齊，洞邊距端柱不宜小于300mm�？蚣艚Y(jié)構(gòu)中剪力墻的布置應(yīng)按“周邊、均勻、成對(duì)、分散”的基本原則設(shè)置。 

　　2.1.2 剪力墻在框剪結(jié)構(gòu)中的數(shù)量的布置 

　　在高層框剪結(jié)構(gòu)建筑中，框剪結(jié)構(gòu)由于有其自身固有的特性，所以它和純剪力墻結(jié)構(gòu)和純框架結(jié)構(gòu)不同。為了使框剪結(jié)構(gòu)起到有效的抗震作用，剪力墻的數(shù)量必須科學(xué)，合理。 

　　在工程中，常常采用以下幾個(gè)指標(biāo)對(duì)框剪結(jié)構(gòu)中的剪力墻數(shù)量進(jìn)行計(jì)算，最后確定合理的剪力墻的數(shù)目。 

　　（1）框剪結(jié)構(gòu)的“剛度特征值”�？蚣艚Y(jié)構(gòu)中反映框架和剪力墻相對(duì)剛度的指標(biāo)是結(jié)構(gòu)剛度特征值，用下式表示： 

　　其中：EWJW——力墻的等效剛度；CF——框架的等效剛度。 

　　建筑的側(cè)向變形形狀與λ有關(guān)。λ名稱為框剪結(jié)構(gòu)的“剛度特征值”。一般λ的值在1.1～2.2之間，這樣不僅充分的發(fā)揮了剪力墻的抗震作用，又發(fā)揮了框架的抗震作用。因此合理的選擇λ值非常重要。 

　�。�2）框剪結(jié)構(gòu)的“墻率”。墻率：指樓層剪力墻的截面面積占樓層總面積的比率。在剪力墻的設(shè)計(jì)階段，根據(jù)和與樓面面積Af與房屋底層全部剪力墻截面面積AW和全部柱截面面積AC之和的比值來(lái)驗(yàn)證剪力墻的數(shù)目是否合理。 　�。�3）框剪結(jié)構(gòu)的“壁率”。壁率是指平均每單位建筑面積上的剪力墻長(zhǎng)度（cm/m2），因?yàn)榈卣鹆Φ拇笮〔粌H與建筑的質(zhì)量多少有關(guān)，還與建筑的高度有關(guān)。通過(guò)震害調(diào)查說(shuō)明，壁率小于5cm/m2時(shí)，發(fā)生了嚴(yán)重破壞；壁率大于12cm/m2的建筑物大部分安全；壁率大于15cm/m2的建筑物是安全的。 

　�。�4）框剪結(jié)構(gòu)中框架總剪力。在地震作用下，樓層的地震建立框架只承擔(dān)很小的一部分，大部分的地震剪力主要由剪力墻承擔(dān)。在抗震設(shè)計(jì)的框剪結(jié)構(gòu)中，對(duì)應(yīng)于地震作用標(biāo)準(zhǔn)值且未經(jīng)調(diào)整的各層（或某一段內(nèi)各層）框架承擔(dān)的地震總剪力Vf同時(shí)應(yīng)滿足下式要求： 

　　Vf≥0.2V0 

　　其中：V0——結(jié)構(gòu)底部總剪力 

　　2.2 剪力墻的抗震設(shè)計(jì)及構(gòu)造 

　　2.2.1 墻體分布筋配筋率 

　　“混凝土規(guī)范”11.7.11條，“高規(guī)”7.2.18條強(qiáng)制規(guī)定在一、二、三級(jí)抗震等級(jí)的剪力墻中， 部分框支剪力墻底部加強(qiáng)部位的配筋率不應(yīng)小于0.3%，水平和豎向分布筋的最小配筋率均不應(yīng)小于0.25%。 

　　一般在溫度及連梁應(yīng)力較大處應(yīng)適當(dāng)加大水平分布筋配筋率。 

　　2.2.2 連梁 

　　強(qiáng)墻弱連梁是剪力墻設(shè)計(jì)的一個(gè)原則， 因?yàn)榭紤]了所有可能超限的連梁出現(xiàn)塑性鉸的情況， 所以用此時(shí)計(jì)算出的墻肢內(nèi)力的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)墻肢截面， 剪力墻結(jié)構(gòu)是安全的。出現(xiàn)超限連梁的情況的時(shí)候可以采用根據(jù)連梁最大抗剪承載力計(jì)算抗彎縱向鋼筋和連梁抗剪箍筋的方法，確保連梁的安全。 

　　2.2.3 基礎(chǔ)及地下室設(shè)計(jì) 

　　高層剪力墻結(jié)構(gòu)，其基礎(chǔ)自然形成箱形基礎(chǔ)， 由于可以將上部結(jié)構(gòu)和地下室視為一個(gè)整體，箱形基礎(chǔ)的高度實(shí)際上已不限于建筑物的地下部分。高層建筑基礎(chǔ)的分析和設(shè)計(jì)應(yīng)全面考慮地基基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)之間的的共同作用和相互作用。 

　　3 結(jié)語(yǔ) 

　　高層框剪結(jié)構(gòu)的建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該正確的認(rèn)識(shí)和把握各個(gè)結(jié)構(gòu)的受力和變性的特性，合理的設(shè)計(jì)，科學(xué)的規(guī)劃，在構(gòu)件設(shè)計(jì)中， 對(duì)重要的部位著重加強(qiáng)，最大限度的發(fā)揮材料的強(qiáng)度。總結(jié)以往的經(jīng)驗(yàn)，不斷創(chuàng)新，完善技術(shù)，爭(zhēng)取為高層建筑的抗震做一點(diǎn)的貢獻(xiàn)。 

　　參考文獻(xiàn) 

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