高層結構設計中框架剪力墻應用與抗震

高層結構設計中框架剪力墻應用與抗震淺析摘要以高層建筑結構設計為研究對象,研究探討了框－剪結構體系在高層結構設計中的應用,文章首先從框架、剪力墻的受力特性開始,論述了影響剪力墻用量的因素,而后分析了剪力墻合理用量的確定方法,最后深度探討了豎向荷載作用下框－剪結構的水平作用效應問題。。關鍵詞:框架剪力墻結構設計受力抗震1框架剪力墻受力特點框架剪力墻也稱框剪結構，這種結構是在框架結構中布置一定數(shù)量的剪力墻，這種剪力墻稱為框架剪力墻，由它們構成靈活自由的使用空間，滿足不同建筑功能的要求，同樣又有足夠的剪力墻，有相當大的剛度?？蚣芗袅σ卜Q框剪結構，這種結構是在框架結構中布置一定數(shù)量的剪力墻，這種剪力墻稱為框架剪力墻，由它們構成靈活自由的使用空間，滿足不同建筑功能的要求，同樣又有足夠的剪力墻，有相當大的剛度。是由框架和剪力墻結構兩種不同的抗側力結構組成的新的受力形式，所以它的框架不同于純框架結構中的框架，剪力墻在框剪結構中也不同于剪力墻結構中的剪力墻。因為，在下部樓層，剪力墻的位移較小，它拉著框架按彎曲型曲線變形，剪力墻承受大部分水平力，上部樓層則相反，剪力墻位移越來越大，有外側的趨勢，而框架則有內(nèi)收的趨勢，框架拉剪力墻按剪切型曲線2框－剪結構在建筑中的應用思路高層建筑是社會經(jīng)濟發(fā)展和科學技術進步的產(chǎn)物。城市人口集中,用地緊張以及商業(yè)競爭的激烈化,促進了高層建筑的出現(xiàn)和不斷發(fā)展。在高層建筑結構設計中,水平荷載是設計的主要控制因素。分析水平荷載與結構體系的關系,根據(jù)建筑高度、尺寸和其他條件,選擇經(jīng)濟而有效的結構類型和結構體系,便成為結構設計的首要問題。高層建筑的結構體系,主要有框架結構體系,剪力墻結構體系,框架－剪力墻結構體系(簡稱框剪結構體系),筒體結構體系和巨型(超級)結構體系等。這些體系的受力特點、抵抗水平荷載的能力、側向剛度和抗震性能等都各有不同?？蚣芙Y構側向剛度差,抵抗水平荷載的能力較低,底部層間位移大容易引起非結構性破壞和次生災害,對抗震不利,但它具有空間大,平面布置靈活,立面處理豐富等優(yōu)點,而剪力墻結構則相反,抗側力強度和剛度均很大,但平面布置不靈活,不適應大空間的要求。而框剪結構卻有框架結構與剪力墻結構兩者的優(yōu)點,把兩種結構體系結合起來,在同一結構單元中同時采用框架和剪力墻結構,共同承受豎向和水平荷載,起到了取長補短的作用,因而它廣泛地應用于高層辦公建筑,旅館建筑等高層公共建筑中?？颍艚Y構體系的工程應用表明,框－剪結構是框架和剪力墻兩種結構的有機結合。剪力墻結構的位移曲線具有懸臂彎曲梁特征,位移越往上增大越快,成外彎形開口曲線。而在框－剪結構中,框架和剪力墻之間通過平面內(nèi)剛度無限大的樓蓋連接在一起共同抵抗水平力,結構水平位移特征處于框架和剪力墻之間,為反S型曲線,是彎剪型。因此,在框-剪結構中,剪力墻在下部樓層變形小,承擔了近80%以上的水平剪力,而在上部樓層,框架變形小,可以協(xié)助剪力墻工作,抵擋剪力墻的外拉變形,從而承受很大的水平剪力。所以,框－剪結構是框架和剪力墻兩種結構水平變形的有機協(xié)調(diào),從而達到減少結構變形,增強結構側向剛度,提高結構抗震能力的目的,在結構設計中具有很強的適用性。4受力特性分析框－剪結構體系的工程應用表明,框－剪結構是框架和剪力墻兩種結構的有機結合。剪力墻結構的位移曲線具有懸臂彎曲梁的特征,位移越往上增大越快,成外彎形開口曲線。而在框－剪結構中,框架和剪力墻之間通過平面內(nèi)剛度無限大的樓蓋連接在一起共同抵抗水平力,結構水平位移特征處于框架和剪力墻之間,為反S型曲線,是彎剪型。因此,在框-剪結構中,剪力墻在下部樓層變形小,承擔了近80%以上的水平剪力,而在上部樓層,框架變形小,可以協(xié)助剪力墻工作,抵擋剪力墻的外拉變形,從而承受很大的水平剪力。所以,框－剪結構是框架和剪力墻兩種結構水平變形的有機協(xié)調(diào),從而達到減少結構變形,增強結構側向剛度,提高結構抗震能力的目的,在結構設計中具有很強的適用性?？颍艚Y構中框架、剪力墻的受力特性可以用結構剛度特性值l,即框架剛度與剪力墻剛度的比值來表達。若忽略連梁約束和軸向變形的影響,有:糖式中仙:H爭為建筑總高度堅;申C攝為框架平均總噴剛度冰;EI紗剪力墻折算總蓮抗側剛度。競工程實踐表明楚:坐(薪1)住踏過小唐,術結構變形曲線槳呈彎剪型彎,影即剪力墻用量典過多鳥,膛此時萄,附結構剛度增大芹,揮自振周期縮短與,翻地震力相應增驗加在,圍結構延性降低美,小尤動其對框架頂部摔幾層極為不利弟。酒尼一般說來創(chuàng),聞剪力墻數(shù)量增扯多對抗震有利湖,她但超過必要限暴度也是不合理憐和不經(jīng)濟的拍,深為了使框架充爬分發(fā)揮作用屯,勿剪力墻剛度不張宜過大蟻,俗應使壤雞1.15探。性(宵2)面那過大蒜,禾結構變形曲線各呈剪彎型宰,豪即剪力墻用量棕過少捐,鏟結構判剛度較差忙,揉常不滿足變形叉要求挽,槍同時灣,省框架受力過大砍,遲梁柱截面尺寸介加大起,烈導致不經(jīng)濟撞,聲因此稠,鍛剪力墻剛度不礎能過小揭,遷應使弓靠2.4勻。委5夢鼻影響因素探討啟框－剪結構中橫,共剪力墻的布置腥和用量是由框宋架、藍朋剪力墻的受力言特性并結合建畜筑物的功能、循枝布置來決定的烈。正紅因此盲,歪影響剪力墻用禾量的因素應主能要從以下方面樓加以考慮：剪離力墻的用量與涼框一剪結構的愈平面布置有關鵲。夫倘剪力墻是框－崖剪結構中主要巖抗側力構件催,走一般按照糕搭“數(shù)均勻、友呢對稱、允棗分散、己膽周邊我”棋確的原則布置。街德6違疤豎向荷載問題每研究貞在高層建筑結乒構設計中鹽,數(shù)隨著建筑物高壁度的增加偵,槐豎向荷載的作買用逐漸退居次潤要地位泉,褲而水平荷載作臟用則上升為主漏要的控制地位松。趟給然而毒,評通過對上述兩勤幢框騾—嬌剪結構建筑物話的內(nèi)力分析發(fā)莫現(xiàn)釀,吸框架在豎向荷浴載作用下產(chǎn)生允的最大層剪力岔數(shù)值較大零,陵水平位移值也吃較大。木炭因此雖,撞在框－剪結構瘡設計中災,混豎向荷載作用悅下的水平作用將效應也應爆予綜合考慮。眉(輕1)裳應盡量減少豎愿向荷載的偏心劉作用對結構產(chǎn)蔑生的不利影響懶。由狀于框架的軸向?qū)米冃我鸬乃暺轿灰婆c剪力針墻彎曲變形引屑起的水平位移掘不一致淚,扇使框架和剪力女墻之間存在著益相互作用的水并平力搬,宮從受力的角度造分析捐,毫若忽略了豎向雞荷載所引起的凱框架與剪力墻悔間的水平力變勾化佛,襖對剪力墻來說臟是偏于安全的哭,議而對于框架來息說是偏于不安檔全的。禍(店2)叢結構計算時亭,貨不同的加載模理式對結構內(nèi)力歷有一定的影響捐。在報實際工程中攤,劉豎向荷載是逐疾層增加的悲,糟框架與剪力墻辯間的軸向變形專差異菊,谷均在施工時逐麥層給予調(diào)整。我搞而在結構電算飄時數(shù),當如果將豎向荷帽載一次加在結譽構上刪,顫就會使得柱與以剪力墻的軸向撓變形差異較實澆際情況增加橋,割從而引起某些速構件的內(nèi)力與倘實際情況不符符。稍慢因此司,睡設計時應根據(jù)步加載情況對構音件截面及內(nèi)力表予以調(diào)整。欺改善框剪結構慧抗震性能的有莖關措施賺結構控制誘理論將結構的北彈塑性分析與爆抗震相結合、?？拐鹋c消震相勻結合、能動控臉制與設計相結壩難合，通過主動泄或被動的控制她措施，調(diào)整結喊構的剛度、強臟度和質(zhì)量分布商，控制結構實逼現(xiàn)最佳耗能機男構，以增大結裙構的延性和耗讀能能力，增強霞結構對地震作袍用下強迫變形販的適應能力，蓬使其滿足抗震嗚設防三水準要究求。抗震結構秘按兩階段設計半，即在彈性階教段按強度控制懂，在彈塑性階厭段按變形控制淡。這樣設計的割結構，既有一脈定的強度，又袍具有較大的延方性和耗能能力融，能一定程度監(jiān)地適應強烈地領震使結構產(chǎn)生纏的強迫變形。乖淡7宅提高剪力墻的漠抗震性能歌節(jié)(駝1)純將剪力墻做成輸四周有梁柱的屈帶邊框墻。邊束框稅(蟻明框和暗框擊)民可阻止斜裂縫鎮(zhèn)向相鄰發(fā)展，調(diào)還可在墻板破獻壞后作承重構嚼件代替墻板承貌重且有一定延壟性。邊框應具莊有足夠的斜截舅面受剪承載力補，以承擔因墻計身通裂對邊框繞梁柱引起的附聞加剪力。味球(蝦2)搬控制每肢墻的候高寬比。必要混時可設結構洞趙口或結構豎縫餡使變成雙肢墻基或多肢墻拖,社可控制裂縫和連屈服部位出現(xiàn)胃在結構豎縫和鴉洞口連梁處，熄形成耗能機構瞇，同時使原剪壩力墻一分為二俱，剛度降低，圓避免發(fā)生剪切戀破壞和底部墻盯體過早屈服。備踢(故3)吩剪力墻的剛性堵連梁，其跨高暑比往往僅為申1雅左右。而試驗淘表明：當連梁傲的跨高比為偷5論時，延性和耗京能很好，連梁勸兩端相對豎向扭位移的延性系再數(shù)都在綁8序以上，滯回曲容線也相當飽滿筋；當跨高比降旅至荒1歉時，延性系數(shù)掛則降至拐3映左右，滯回曲基線嚴重捏擾，章耗能很小，最曬后彎剪破壞。饅因此，需要對脹它的組成和構斥造采取一定措孔施。貝措施之一券是在筒1/2亂梁高的中性面蝕上留一水平通督縫，在縫的上書、下兩側各埋扣置鋼板，鋼板留上開有橢圓形叮螺栓孔，用高以強螺栓把兩鋼燃板連結。在豎鞠載、風載和小本震下，高強螺噴栓把水平通縫意分開的兩部分潤連梁連結成整智體工作，使連燈梁具有一定的埋"側剛性雷"箭。在大震作用倚時我,悉兩鋼板發(fā)生相予對滑動，原來砌跨高比為葵1榜的剛性連梁將父被分成兩根跨霧高比為鳴2幅的小梁協(xié)同工偉作，翻困試驗表明額,倚這樣可使延性勒系數(shù)由原來的搶3宣提高為問10駱左右。淘遣8.標提高框架的抗遭震性能兼舟(責1)晌加強框架的角欺柱。角柱是連輔結縱橫框架的貓樞紐，要增加守框架的空間整攻體性，就要加門強角柱的抗剪向性能。弟這(我2)鍵沿周圈框架平蓮面按鑼K看形支撐和玉X純形支撐布置一臺定數(shù)量的鋼筋相砼抗剪墻板或湖配筋砌塊抗剪驕墻板，能有效黑克服框架的剪露力滯后現(xiàn)象，壇顯著提高框架許的整體性和抗券推剛度，減少害結構的整體側判移，特別有利艘于減小層間側智移。但這種結徑構的延性較差儲，因此，可以另在墻板上開十收字形結構豎縫旺使之出現(xiàn)薄弱環(huán)部位，形成延毯性耗律能墻板。蹈瞇(遵3)咬設置偏交斜撐閣等贅余桿件，務用彎曲耗能代耕替軸變耗能，級其中折曲撐由倘鋼纖維砼桿制顯造，偏心連結猾支撐可用鋼桿液或勁性鋼筋砼導桿組成洪(唯如圖咳2什和圖顛3)輛。在強烈地震瘋作用下，一方嚷面可利用這些箏贅余桿件的先味期屈服和變形錦來耗散能量，植另一方面當贅去余桿件破壞或軋退出工作后，鳥使得結構由一槽種穩(wěn)定體系過纖渡到另一種穩(wěn)要定體系，引起譜結構自振周期懸的改變，以避釣開地震卓越周宗期的長時間持影續(xù)作用所引起攏的共振效應。嘩廁巴9.逃采用新型復合饞材料節(jié)點簡提高節(jié)點圍的強度和延性滑僅靠增加箍筋撓效果并不顯著環(huán)，而采用鋼纖莫維砼和勁性砼竟梁柱節(jié)點效果籌較好。由于勁款性鋼材或鋼纖類維與砼的共同缺工作，使得節(jié)冶點區(qū)砼的受力步性能特別是剪仆切變形大大改昂善，延性和耗鋸能能力顯著提昌高。繁糾10.稻提高整體結構創(chuàng)的抗震性能靈神(贊1)渾實行機構控制淡，實現(xiàn)總體屈核服機制。攜在結構的撤特定位置設置貢一定數(shù)量的人砍工塑性鉸，對踏塑性鉸發(fā)生的拜區(qū)域、順序及虎塑性程度進行蚊控制，使得結教構在強震時能脆形成最佳耗能部機構。在水平廣作用下，使水危平構件先于豎普向構件屈服，澇最后豎向構件暮底部屈服。杏彈(控2)漂使結構的剛度盒和承載力相匹鏟配。在框剪結歉構中，如剪力跨墻數(shù)量多、厚梢度大，剛度自擦然也大，但會梢導致結構自振巧周期減小，總釋水平地震作用灰增大；反之剛煮度小，地震力昌也變小。所以嫩，要根據(jù)建筑誤的重要性、裝潤修等級和設防主烈度來綜合這柱一對矛盾，以有確定出結構的幣側移限值，從遠而定出抗震墻親的數(shù)量、厚度痛，做到既安全拐又經(jīng)濟。鉛愿(左3)帝使結構的剛度品和延性相匹配傭。剪力墻和框屈架在剛度、彈剃性極限變形值耍和延性系數(shù)方蔽面的差異使得狂框剪結構的抗輛震性能大打折輕扣，造成各構跡件不能同步協(xié)夠調(diào)地發(fā)揮材料諷抗力而出現(xiàn)先植后破壞被各個秀擊破的情況，松大大降低了結藥構中各構件的患利用效率和整陜體的抗震可靠湊度。所以，協(xié)仁調(diào)各抗側力構濱件的剛度和延便性相匹配是工壩程設計中的一廟條重要抗震設韻計原則。沙為了能夠閣使剪力墻和框株架同步工作，匯可采用：懂所·己帶豎縫剪力墻暴。豎縫剪力墻醒在水平力作用凱下所產(chǎn)生的側提移，不再是以謝墻體的剪切變怪形為主而是以兩并列柱的彎曲每變形為主，原迅來墻面上的麥堆斜向裂縫被并聚列小柱上、下象端的水平裂縫昂代替。由于剪敵力墻的力學性奴能由剪切轉(zhuǎn)變嶄為彎曲，彈性長極限側移值加表大，延性改善仁，彈塑性耗能丹增加，避免了垮普通抗震墻斜野裂縫出現(xiàn)后的珠剛度嚴重退化溜。絮·憐采用較好的延銅性偏交支撐，魚主要構造是交缺叉直撐的交叉窯點處用拼接板謹、高強螺栓與筑阻尼材料組成襯，在小震時，禍叉點處提供足暗夠的強度和剛踏度，像普通直宴撐那樣工作。定在強震時，上帥撐與下?lián)螣o(翁或左撐與右撐錘)薯之間可相對滑答動，導致剛度睡大大下降，可賄提高剪力墻和傍框架之間的協(xié)筑同工作能力。括11議框剪結構的抗頃震設計與計算播在現(xiàn)行規(guī)亡范的抗震分析慰中采用協(xié)同工柿作計算法，即挽采用框架彈性遍剛度和剪力墻臺彈性剛度組成米并聯(lián)體結構模斗型，計算出結比構彈性自振周蛋期，按眾值烈冠度計算彈性地粗震作膽用廉芹F斬，并將宵F中貼按彈性剛癢度比值分配給媽框架和剪力墻有。野該計算方法不養(yǎng)能反映出因剪嬸力墻開裂、剛爐度在局部發(fā)生主突變而引起墻耽體轉(zhuǎn)動給結構援帶來內(nèi)力重分伴布，這樣顯然丹與實際情況有件誤差。惜因此，有必要逆作如下調(diào)整：爆呼1.厲在整體按彈性摧方法計算的基楚礎上，允許個兼別構件、個別鈴部位按彈塑于性性質(zhì)對剛度金進行調(diào)整，也烈允許局部考慮快塑性內(nèi)力重分限布進行計算撿咸2.養(yǎng)據(jù)空間有限元糧程序分析結果脆：受拉墻肢剛悶度退化后，實克際受壓墻肢承慨受了貢90%惜的總剪力而受拜拉墻肢僅承受共了揪10%遙，墻肢受剪嚴裁重不均勻。為奏此對于一、二捐級抗震墻，受亂壓墻肢的設計扛彎矩和剪力應冒乘以濤1.25裁，而受拉墻肢萬可降低詞10首～杯20%壺。氧休3.做加強連梁是改朵善墻肢應力分脆配不均的有效方途徑。通過合訂理的結構布置宿，使連梁能夠謀向各片墻肢傳讓遞更多軸向力都，讓各墻肢盡助可能地平均分那擔重力而避免谷出現(xiàn)某墻肢全菌截面受拉的情生況，從而也改貝善了墻肢承受則剪力不均的狀擁況。對連梁的肆設計應符合：皺距(良1)搭控制連梁端部帝的剪應力不大蒜于仰0.15例，以保證連梁姿具有足夠的截愉面和抗剪能力出。梅律(漁2)貼連梁的剪跨比投不應小于懂1.0則，當剪跨比過蛙小時可用水平陣縫將