□□ 郭正烜

(太原理工大學(xué)，山西 太原 030024)

建筑設(shè)計

框架剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計步驟和方法探討

□□ 郭正烜

(太原理工大學(xué)，山西 太原 030024)

通過對框架剪力墻結(jié)構(gòu)的闡述，揭示了剪力墻結(jié)構(gòu)的概念與特點。結(jié)合實際工程的設(shè)計，有針對性地分析了框架剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則與步驟。

框架剪力墻結(jié)構(gòu)；設(shè)防；SATWE

引言

隨著人民生活水平的不斷提高以及建筑市場的不斷繁榮和發(fā)展，人們對建筑功能的要求也越來越高。高層建筑由于既能滿足建筑功能的集成化，又能經(jīng)濟合理地利用土地，因而大量地出現(xiàn)在城市和城鎮(zhèn)建設(shè)中。常見的混凝土高層建筑按結(jié)構(gòu)類型一般可分為框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)等。本文討論的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)(以下簡稱“框剪結(jié)構(gòu)”)，是在框架結(jié)構(gòu)體系的基礎(chǔ)上設(shè)置一定數(shù)量的剪力墻而形成的既有框架又有剪力墻的雙重受力體系。

1 框剪結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢

一般而言，框架結(jié)構(gòu)空間布置靈活，容易實現(xiàn)建筑功能要求，結(jié)構(gòu)的抗震性能也比較好，但是其抗推剛度較小，抵抗水平荷載的能力較低。剪力墻結(jié)構(gòu)的抗推剛度較大，抗側(cè)承載力高，但是由于承重墻體間距受限制，建筑平面布置不夠靈活，很難滿足一些公共建筑的功能要求?？蚣艚Y(jié)構(gòu)體系將框架體系與剪力墻體系結(jié)合起來，利用框架柱的靈活布置解決了建筑功能和空間的要求，同時剪力墻的存在極大地提高了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，具有良好的抗震性能，因而在很多需要大空間的高層建筑(如寫字樓、商場、醫(yī)院等)中得到了廣泛的應(yīng)用。

合理設(shè)計的框剪結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的抗震性能。由于框剪結(jié)構(gòu)綜合了框架和剪力墻兩種結(jié)構(gòu)形式，就變形能力而言，框剪結(jié)構(gòu)優(yōu)于剪力墻結(jié)構(gòu)。同樣，框剪結(jié)構(gòu)的抗震性能也優(yōu)于框架結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)震害資料表明，在框架中設(shè)置剪力墻可以增強結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，從而減少水平位移，有效地控制地震對結(jié)構(gòu)的破壞，特別是減輕非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞，這在歷次地震的震害資料中均有證明。

框剪結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能還表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)體系的多道設(shè)防。小震作用下，主要是剪力墻承受水平荷載；中震作用下，框架與剪力墻共同工作；在大震作用下，剛度較大的剪力墻成為第一道抗震防線，隨著剪力墻的開裂，其剛度退化，框架在保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及防止結(jié)構(gòu)倒塌方面發(fā)揮作用。

2 工程實例

本文選用的實例為某地區(qū)醫(yī)院綜合樓項目，該項目位于山西省某市，抗震設(shè)防烈度為8度(0.2g)，場地類別為三類。建筑層數(shù)為地下1層(局部為人防工程，人防抗力等級為6級)，地上12層，標(biāo)準(zhǔn)層總長40.4 m，總寬20.8 m，結(jié)構(gòu)總高度為46.8 m，建筑面積11 501 m2。建筑設(shè)防類別為乙類(重點設(shè)防類)。

3 結(jié)構(gòu)選型及結(jié)構(gòu)平面布置

該項目結(jié)構(gòu)總高46.8 m，根據(jù)JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(以下簡稱“高規(guī)”)表3.3.1-1，若選用框架結(jié)構(gòu)，則超過了規(guī)范規(guī)定的最大適用高度；若選用剪力墻結(jié)構(gòu)，由于建筑平面中除病房、診室、辦公室外，還需設(shè)置藥房、會議室、手術(shù)室等大空間的功能房間，剪力墻結(jié)構(gòu)很難滿足要求。綜合考慮結(jié)構(gòu)最大適用高度和建筑功能要求，最終選用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，并要求建筑物的最大高寬比滿足“高規(guī)”中表3.3.2最大高寬比的要求。

框柱與剪力墻結(jié)構(gòu)方案的確定需考慮以下幾個因素：

(1)結(jié)構(gòu)布置需以建筑平面為依據(jù)，滿足建筑功能的要求。墻柱的布置要求不影響功能房間的使用。

(2)剪力墻布置要遵循“均勻、分散、周邊、對稱”的原則。均勻、分散是要求剪力墻片數(shù)多，且每片墻的剛度不要太大，在樓層平面內(nèi)均勻分布。對稱、周邊布置是為了降低高層建筑在地震力作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

(3)剪力墻的數(shù)量要適中。剪力墻數(shù)量過少，則抗側(cè)剛度不足，會在地震力作用下產(chǎn)生較大的側(cè)向變形，導(dǎo)致嚴(yán)重的震害；剪力墻數(shù)量過多，又會使結(jié)構(gòu)自重加大，地震作用隨之加大，而且會增加不必要的造價。因此，在框剪結(jié)構(gòu)中兼顧安全和經(jīng)濟來確定剪力墻數(shù)量是非常重要的。

(4)剪力墻的位置合理。作為框剪結(jié)構(gòu)中的主要抗側(cè)構(gòu)件，剪力墻應(yīng)沿結(jié)構(gòu)縱橫兩個方向同時布置，并使兩個方向的剛度接近。剪力墻一般宜布置在下列部位，如豎向荷載較大處；建筑平面復(fù)雜部位或平面形狀變化處；樓梯間和電梯間部位等。

(5)剪力墻布置間距需遵循規(guī)范要求，符合“高規(guī)”中表8.1.8的規(guī)定。

綜合考慮上述因素，針對該項目而言，框架柱的布置相對簡單，按照經(jīng)濟柱距布置即可。該項目橫向柱距為8 m，縱向柱距分別為7.2 m、5.4 m、7.8 m。剪力墻主要布置在衛(wèi)生間、電梯間、縱橫向的外墻及個別內(nèi)墻中，基本呈對稱布置，兩個方向的墻體數(shù)量基本相近，保證了建筑的使用功能。

該項目標(biāo)準(zhǔn)層布置方案如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置平面圖

4 PKPM建模及計算

將結(jié)構(gòu)方案輸入計算機進行建模計算，從而獲得比較準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)信息，并根據(jù)計算結(jié)果對結(jié)構(gòu)方案進行必要的調(diào)整。

4.1 關(guān)鍵計算參數(shù)的確定和輸入

考慮到該工程屬于醫(yī)院，結(jié)構(gòu)形式為框剪結(jié)構(gòu)，建筑物的抗震設(shè)防類別為乙類，該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度(0.2g)，根據(jù)GB 50223—2008《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》的要求：“重點設(shè)防類，應(yīng)按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度一度的要求加強其抗震措施”，故在確定SATWE參數(shù)時應(yīng)首先考慮結(jié)構(gòu)的抗震措施，由本地區(qū)8度變更為9度，相應(yīng)的框架和剪力墻的抗震等級均應(yīng)提高。

0.2Q0調(diào)整：“高規(guī)”8.1.4條規(guī)定：“(1)滿足式(8.1.4)要求的樓層，其框架總剪力不必調(diào)整；不滿足式(8.1.4)要求的樓層，其框架總剪力應(yīng)按0.2V0和1.5Vf.max二者的較小值采用；Vf≥0.2V0(8.1.4)?！边@是框剪結(jié)構(gòu)為了保證在水平地震力作用下能夠形成有效的多道設(shè)防。在設(shè)防地震、罕遇地震作用下，剛度大的墻體會先于框架破壞，由于塑性內(nèi)力重分布，框架部分按側(cè)向剛度分配的剪力會比多遇地震下加大，為了保證作為第二道防線的框架具有一定的抗側(cè)力能力，需要對框架承擔(dān)的剪力予以適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。所以對于該項目，應(yīng)全樓進行調(diào)整。

周期折減系數(shù)：對于不同類型的高層結(jié)構(gòu)，規(guī)范規(guī)定了采用不同的周期折減系數(shù)。因為結(jié)構(gòu)在地震作用下自振周期往往要小于計算周期，這是由于結(jié)構(gòu)中非承重墻體(如砌塊填充墻)的協(xié)調(diào)變形所致，故應(yīng)按照規(guī)范要求對該項目進行調(diào)整，調(diào)整系數(shù)取0.8。

對于程序中其他參數(shù)的設(shè)定，均按照相應(yīng)規(guī)范要求和PKPM用戶手冊進行設(shè)置，不再贅述。

4.2 計算結(jié)果分析

調(diào)整完畢參數(shù)后進行試算。經(jīng)過多輪計算和對模型的調(diào)整，精準(zhǔn)確定結(jié)構(gòu)方案，之后對計算結(jié)果進行分析。

首先保證宏觀結(jié)構(gòu)的合理性，對SATWE輸出信息中的總信息、位移情況、地震周期、框架柱傾覆力矩及0.2QV0等內(nèi)容與規(guī)范條文進行比對。

4.2.1 豎向剛度變化

適當(dāng)提高該項目地下室結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸和混凝土強度，使地下室與地面一層的側(cè)向剛度比>2，結(jié)構(gòu)嵌固端可取地下室頂板。對地上部分，分成若干個結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層，在保證承重構(gòu)件豎向連續(xù)的前提下，分段減小構(gòu)件截面尺寸和混凝土強度，從而使結(jié)構(gòu)每層剛度基本接近并逐漸變小，保證樓層側(cè)向剛度不小于相臨上部樓層側(cè)向剛度的70%或其上相臨3層側(cè)向剛度平均值的80%，從而滿足規(guī)范要求。

4.2.2 結(jié)構(gòu)彈性層間位移的控制

均勻設(shè)置的剪力墻能有效地限制結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移。抗震規(guī)范提出的層間彈性位移角和層間彈塑性位移角限值，實際上是控制層間水平位移不得過大，避免帶來結(jié)構(gòu)的P-Δ效應(yīng)。兩個階段的層間位移要分別滿足以下要求：

多遇地震作用下產(chǎn)生的層間彈性位移：

ΔUe≤[θe]H

(1)

罕遇地震作用下產(chǎn)生的層間彈性位移：

ΔUp≤[θp]H

(2)

經(jīng)對該項目進行計算，X向彈性層間位移角為1/875；Y向彈性層間位移角為1/902。兩個方向的剛度基本接近，且滿足規(guī)范要求的≯1/800。

4.2.3 結(jié)構(gòu)的自振周期的控制

結(jié)構(gòu)的自振周期在考慮折減系數(shù)后應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)?？蚣艚Y(jié)構(gòu)的基本自振周期(即第一周期)按照一般經(jīng)驗大致為：

T1≈(0.08～0.12)n (3)

如果周期偏長，說明結(jié)構(gòu)過“軟”，所承擔(dān)的地震剪力偏小，應(yīng)考慮抗側(cè)力構(gòu)件(柱、墻)是否截面太小或布置不當(dāng)；若周期偏短，說明結(jié)構(gòu)過“剛”，所承擔(dān)的地震力偏大，應(yīng)考慮抗側(cè)力構(gòu)件是否截面太大或墻的布置太多或墻的剛度太大(宜設(shè)結(jié)構(gòu)洞減小其剛度)。

對該項目進行計算得到的3個主周期見表1。

表1 結(jié)構(gòu)周期

計算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的剛度較為合理，第一、二周期顯示為平動周期，第三周期顯示為扭轉(zhuǎn)周期，T3/T1≈0.643。因為T3/T1<0.85，說明結(jié)構(gòu)整體抗扭剛度較大，能有效地限制地震作用下產(chǎn)生不利于結(jié)構(gòu)安全的扭轉(zhuǎn)變形。

4.2.4 規(guī)定水平力作用下框架柱的地震傾覆力矩百分比

框剪結(jié)構(gòu)在規(guī)定的水平力作用下，結(jié)構(gòu)底層框架部分承受的地震傾覆力矩與結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的比值不盡相同。當(dāng)框架部分承受的地震傾覆力矩比結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩>10%但≯50%時，按典型的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。如果框架部分承受的地震傾覆力矩過大或過小，均要按照“高規(guī)”要求對結(jié)構(gòu)進行特定分析。

對該項目進行計算得到的數(shù)據(jù)見表2。

表2 規(guī)定水平力框架柱及短肢墻地震傾覆力矩百分比 %

框架柱承受的地震傾覆力矩均在10%～50%之間，符合典型的框剪結(jié)構(gòu)特點。

4.2.5 振型曲線和位移曲線

對于豎向剛度和質(zhì)量比較均勻的結(jié)構(gòu)，如果計算正常，其振型曲線應(yīng)是比較連續(xù)光滑的曲線，不應(yīng)有大進大出、大的凹凸曲折。

框剪結(jié)構(gòu)的位移曲線介于剪力墻結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)兩者之間。剪力墻結(jié)構(gòu)的位移曲線具有懸臂彎曲梁的特征，位移越往上增長越快，呈外彎型曲線；框架結(jié)構(gòu)的位移曲線具有剪切梁的特征，位移越往上增長越慢，呈內(nèi)收型曲線；框剪結(jié)構(gòu)的位移曲線呈反S型曲線，中部接近為直線。而且曲線均應(yīng)連續(xù)光滑，無突然凹凸變化和明顯的折點。

除了對以上計算結(jié)果的討論，還應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)剪重比、荷載和內(nèi)力分布等內(nèi)容進行合理分析，這樣才能基本保證結(jié)構(gòu)的宏觀合理性。下一步還要對SATWE結(jié)果中的配筋進行驗算，對軸壓比等信息進行查看與調(diào)整，以確保結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全可靠。

4.3 圖形輸出與施工圖繪制

利用PKPM軟件對模型計算結(jié)果輸出，經(jīng)整理后繪制結(jié)構(gòu)施工圖，完成設(shè)計任務(wù)。

3 結(jié)語

對于框剪結(jié)構(gòu)的設(shè)計最重要的是概念設(shè)計，尤其是對于抗震設(shè)防地區(qū)的建筑，做到正確的結(jié)構(gòu)選型、合理的整體布局與可靠的構(gòu)造措施是非常重要的。只有深入了解框剪結(jié)構(gòu)的受力性能，把握地震作用下結(jié)構(gòu)的抗震特點，并能利用軟件合理計算，才能設(shè)計出既經(jīng)濟合理又安全堅固，同時能滿足建筑功能的優(yōu)良結(jié)構(gòu)。

[1] JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3] 葉獻國.建筑結(jié)構(gòu)選型概論[M].第2版.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2013.

[4] SATWE用戶手冊及技術(shù)條件(2010版)[K].北京：中國建筑科學(xué)院,2011.

[5] 包世華.新編高層建筑結(jié)構(gòu)[M].北京：中國水利水電出版社，2005.

(編輯 盛晉生)

1009-9441(2015)05-0012-03

TU 398

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郭正烜(1981-)，男，山西平遙人，講師，2004年7月畢業(yè)于太原理工大學(xué)土木工程專業(yè)，現(xiàn)從事建筑工程教學(xué)工作。

2015-09-16