南建橋

1 概述

隨著工業(yè)化和城市化的日益發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，高層建筑由于其節(jié)約用地和節(jié)省投資等方面的優(yōu)勢(shì)而越來(lái)越成為建筑形式的首選。與多層建筑結(jié)構(gòu)不同的是，高層建筑中，包括風(fēng)荷載、地震作用等水平荷載取代豎向荷載而成為結(jié)構(gòu)受力的控制因素，而且由于側(cè)向位移與建筑物的高度四次方的函數(shù)關(guān)系，需要將側(cè)向位移控制在一定的范圍內(nèi)以滿(mǎn)足正常的使用和安全耐久。因此，高層建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)選型，主要是選擇合適的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。高層建筑的結(jié)構(gòu)體系，主要有框架結(jié)構(gòu)體系，剪力墻結(jié)構(gòu)體系，框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系(簡(jiǎn)稱(chēng)框剪結(jié)構(gòu)體系)，筒體結(jié)構(gòu)體系，框架—筒體結(jié)構(gòu)體系和巨型結(jié)構(gòu)體系等?？蚣芙Y(jié)構(gòu)建筑布置靈活，空間分割容易，使用靈活，但是在水平力作用下一般以剪切變形為主，層間位移較大。剪力墻結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)相反，它的抗側(cè)剛度較大，在水平力作用下側(cè)向變形較小，但是由于剪力墻間距的要求使得建筑平面布置不夠靈活，而且由于結(jié)構(gòu)的自重較大，產(chǎn)生的地震作用也就較大。如果在框架結(jié)構(gòu)中增設(shè)部分剪力墻，這些剪力墻可承擔(dān)大部分水平地震作用，框架構(gòu)件斷面尺寸毋需很大就能滿(mǎn)足該結(jié)構(gòu)對(duì)側(cè)向位移的要求，且更加經(jīng)濟(jì)，這就是框架—剪力墻結(jié)構(gòu)廣泛使用的原因。

框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，在框架—剪力墻結(jié)構(gòu)中，由于剪力墻的剛度大，將承擔(dān)大部分水平力，是抗側(cè)力的主體，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度大大提高?？蚣軇t承擔(dān)豎向荷載，提供較大的使用空間，同時(shí)也承擔(dān)少部分水平力?？蚣鼙旧碓谒胶奢d作用下呈剪切變形，剪力墻則呈彎曲形變形。當(dāng)兩者通過(guò)樓板協(xié)同工作，共同抵抗水平荷載時(shí)，變形必須協(xié)調(diào)，側(cè)向變形將呈彎剪形。其上下各層的層間變形趨于均勻，各層梁柱結(jié)構(gòu)尺寸和配筋也趨于均勻。由于上述受力變形特點(diǎn)，框架—剪力墻結(jié)構(gòu)比框架結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力都大大的提高，在地震作用下層間變形減小，因而也就減小了非結(jié)構(gòu)構(gòu)件(隔墻和外墻填充墻)的損壞。因此，無(wú)論地震區(qū)還是非地震區(qū)，框架—剪力墻結(jié)構(gòu)都有優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)得到廣泛的應(yīng)用。

2 高層框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)、抗震性能及抗震的基本要求

2.1 高層框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)

框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，以其廣泛的適用性及良好的抗震性能，被廣泛的應(yīng)用于我國(guó)的高層建筑中。眾所周知，在框架結(jié)構(gòu)平面的適當(dāng)部位設(shè)置剪力墻來(lái)抵抗水平荷載，便形成了框架—剪力墻體系?？蚣苤饕鳛轶w系中承受垂直荷載的結(jié)構(gòu)，而大部分水平荷載由剪力墻承擔(dān)。將剪力墻視為豎向懸臂受彎桿件或剪彎桿件，將框架平面結(jié)構(gòu)作為懸臂剪切梁，考慮框架與剪力墻之間的協(xié)同工作，并用連桿連續(xù)化。

2.2 高層框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能

地震是一種破壞性極大的自然災(zāi)害，地震發(fā)生時(shí)，山搖地陷，河溢橋移，高層建筑因之而塌毀者屢見(jiàn)不鮮。自從建筑上的抗震問(wèn)題突出以來(lái)，工程界關(guān)于框架和剪力墻結(jié)構(gòu)或者抗震性能為優(yōu)的問(wèn)題都存在著爭(zhēng)議，通常情況下，結(jié)構(gòu)的延性是抗震性能的主要度量標(biāo)準(zhǔn)，所以結(jié)構(gòu)柔度越大，抗震性能越好，框架延性好，柔度大，似乎框架比剪力墻結(jié)構(gòu)更有利于抗震，但是日本1977年新抗震設(shè)計(jì)規(guī)范指出“對(duì)于墻數(shù)量多的建筑物一般情況下抗震強(qiáng)度高，而近于純框架的建筑物抗震強(qiáng)度較低”，框架式鋼筋混凝土建筑物雖然抗震經(jīng)驗(yàn)很多，但多墻的建筑物大部分震害都是很輕微或無(wú)震害，不設(shè)置墻體和布置不均勻的建筑物實(shí)際上在地震時(shí)都會(huì)遭到顯著的破壞，新西蘭1976年標(biāo)準(zhǔn)和1982年標(biāo)準(zhǔn)指出:連肢懸臂延性剪力墻可能是現(xiàn)今鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中最好的抗震結(jié)構(gòu)體系，它的延性與框架相似，但還是有以下優(yōu)點(diǎn):剛度大，即使連系梁達(dá)到屈服，仍能有力地保護(hù)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件免于破壞。

2.3 高層框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震基本要求

我國(guó)《抗震規(guī)范》對(duì)各類(lèi)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)都有明確的規(guī)定，其中對(duì)結(jié)構(gòu)抗震體系方面的各項(xiàng)要求主要有以下幾方面:

1)應(yīng)具有明確的計(jì)算簡(jiǎn)圖及傳力途徑。

2)宜有多道抗震設(shè)防防線(xiàn)，避免其部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個(gè)體系喪失抗震能力。

3)應(yīng)具備必要的強(qiáng)度和良好的變形能力及耗能能力。

4)宜具有合理的剛度和強(qiáng)度分布，避免因局部削弱或突變薄弱部位產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力集中或塑性變形集中，對(duì)可能出現(xiàn)的薄弱部位應(yīng)采取措施提高抗震能力。

3 目前框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系抗震分析的主要方法

關(guān)于框架與剪力墻協(xié)同工作的計(jì)算，目前國(guó)內(nèi)外的方法很多，可歸納為:手算法、電算法。

手算法是在一定假定基礎(chǔ)上的近似簡(jiǎn)化計(jì)算方法。它將剪力墻平面結(jié)構(gòu)視為等效的彎曲桿件，將平面框架結(jié)構(gòu)視為懸臂剪切梁，考慮綜合之后的剪力墻與框架協(xié)調(diào)工作，再將協(xié)調(diào)的各層桿件連續(xù)化，從而建立剪力墻與框架之間的協(xié)同工作微分方程，求解微分方程可得結(jié)構(gòu)體系的位移和內(nèi)力，進(jìn)而獲得各桿件的內(nèi)力。用手算法計(jì)算框剪結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作時(shí)，由于選取的基本未知量不同，又可分為側(cè)移法和角變法兩種。

電算法常用矩陣位移法求解，它是一種較為精確的計(jì)算方法，主要思想為:取節(jié)點(diǎn)的位移為基本未知量，將結(jié)構(gòu)離散為單元，建立單元?jiǎng)偠确匠?，即{F}=[K]{δ}，將單元集成整體，并滿(mǎn)足節(jié)點(diǎn)處的變形連續(xù)條件(通過(guò)桿端位移等于節(jié)點(diǎn)位移來(lái)實(shí)現(xiàn))和平衡條件，建立結(jié)構(gòu)的整體剛度方程，即{F}=[K]{δ}。求解總剛度方程，得節(jié)點(diǎn)位移{δ}，進(jìn)而可計(jì)算各桿的桿端力。

4 高層框架—剪力墻中剪力墻數(shù)量?jī)?yōu)化確定的意義

高層建筑中，鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系既能提供較大的使用空間，又具有良好的抗側(cè)能力，已被廣泛用于各類(lèi)建筑中?？蚣堋袅Y(jié)構(gòu)中，剪力墻配得太少時(shí)，對(duì)抵抗水平荷載作用的幫助很少，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的側(cè)向變形而無(wú)法滿(mǎn)足安全和使用要求;剪力墻配得太多時(shí)，既增加了材料用量、增大了結(jié)構(gòu)自重，又減小了結(jié)構(gòu)自振周期，增大了地震作用效應(yīng)，造成了經(jīng)濟(jì)上不必要的浪費(fèi)。所以，合理地確定剪力墻數(shù)目(剪力墻的總抗彎剛度EIw)，是關(guān)系到結(jié)構(gòu)安全性與技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性的關(guān)鍵問(wèn)題。

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，框架—剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻剛度的確定，除了必須滿(mǎn)足強(qiáng)度條件外，還必須使結(jié)構(gòu)具有一定的側(cè)向剛度，以免在地震作用下產(chǎn)生過(guò)大的變形。因此，剪力墻剛度的大小將直接影響到結(jié)構(gòu)的安全性及工程造價(jià)。結(jié)構(gòu)剛度選擇過(guò)小，會(huì)因結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過(guò)大的變形而無(wú)法滿(mǎn)足使用要求;剪力墻剛度過(guò)大，則結(jié)構(gòu)自振周期相應(yīng)減小，地震荷載相應(yīng)增大，從經(jīng)濟(jì)上講造成不必要的浪費(fèi)。在初步設(shè)計(jì)階段，簡(jiǎn)捷、正確地確定框剪結(jié)構(gòu)中剪力墻最優(yōu)數(shù)量，可避免重復(fù)、繁瑣的結(jié)構(gòu)剛度調(diào)整計(jì)算。因此正確選擇剪力墻剛度是一個(gè)很切實(shí)的問(wèn)題，也是目前工程界普遍關(guān)注的問(wèn)題之一。

5 框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)有限元分析的方法

進(jìn)行框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)有限元分析，首先應(yīng)對(duì)框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作進(jìn)行分析，通過(guò)協(xié)同工作的微分方程推導(dǎo)出框架—剪力墻結(jié)構(gòu)在不同荷載形式下的位移解析解，采用位移曲線(xiàn)二階求導(dǎo)的方法求出最大層間位移角，以結(jié)構(gòu)協(xié)同工作的連續(xù)化分析及我國(guó)現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范反應(yīng)譜理論為出發(fā)點(diǎn)，以結(jié)構(gòu)地震作用最小為目標(biāo)函數(shù)，最大層間位移角為約束條件對(duì)三種常見(jiàn)的荷載作用形式下的框架—剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻進(jìn)行優(yōu)化并建立優(yōu)化模型。認(rèn)為在滿(mǎn)足最大層間位移角限值的條件下，結(jié)構(gòu)地震作用最小時(shí)的剪力墻數(shù)量即為最優(yōu)剪力墻數(shù)量。該模型反映出結(jié)構(gòu)高度 H，結(jié)構(gòu)自重 G，場(chǎng)地特征周期 Tg等因素對(duì)剪力墻合理數(shù)量的影響。其次利用MIDAS/GEN對(duì)框架—剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，從強(qiáng)度和變形兩方面來(lái)檢驗(yàn)框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的安全和抗震可靠度。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的正確規(guī)劃，建立符合實(shí)際的有限元模型，以使有限元模型能準(zhǔn)確模擬靜力分析和動(dòng)力分析。根據(jù)該結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的受力特征，將整個(gè)結(jié)構(gòu)模擬為空間梁、板單元的三維整體計(jì)算模型，并對(duì)有限元分析模型進(jìn)行靜力、反應(yīng)譜法及時(shí)程分析的動(dòng)力計(jì)算。

通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得出結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性即固有頻率和振型，然后通過(guò)振型分解法，驗(yàn)算在地震作用下墻體的剪力設(shè)計(jì)值以及各樓層的位移值，并通過(guò)計(jì)算公式對(duì)結(jié)構(gòu)在地震作用下的承載力的驗(yàn)算與對(duì)比，得出結(jié)構(gòu)的抗剪承載能力和儲(chǔ)備。

通過(guò)時(shí)程分析，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)各層層間剪力的時(shí)程變化，以及各層層間剪力在整個(gè)地震波的時(shí)間歷程中的最大值;驗(yàn)算結(jié)構(gòu)各層的層間位移和樓層總位移的時(shí)程變化，以及各層層間位移和樓層總位移在整個(gè)地震波的時(shí)間歷程中的最大值，從強(qiáng)度和變形兩方面來(lái)檢驗(yàn)剪力墻結(jié)構(gòu)的安全和抗震可靠度。驗(yàn)算結(jié)構(gòu)各層的層間剪力和位移的時(shí)程變化，以及各層層間剪力和位移在整個(gè)地震波的時(shí)間歷程中的最大值。

本文闡述的框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)有限元分析的方法，吸取了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的分析設(shè)計(jì)思想與方法，并加以創(chuàng)新，對(duì)框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系的分析設(shè)計(jì)具有較好的參考價(jià)值。

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