周 豐

(福州市建筑設(shè)計(jì)院 福建福州 350000)

引 言

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)由于其靈活的空間分隔性，較好的經(jīng)濟(jì)性，能就地取材等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用，但有些框架結(jié)構(gòu)，體型較為特殊，經(jīng)試算不能滿足有關(guān)規(guī)范對于彈性層間位移角及位移比的要求，要加大梁柱截面較多才能實(shí)現(xiàn)體系位移的改善，經(jīng)濟(jì)性差。此時(shí)在合適的部位設(shè)置極少量的剪力墻(通常布置在結(jié)構(gòu)剛度較弱處或者樓、電梯間處)，則較為容易實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)位移的控制。然而，對于含少量剪力墻的框架結(jié)構(gòu)，我國《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程(JGJ3－2010)》[1]第8.1.3條僅做了一般性規(guī)定，沒有對具體的控制指標(biāo)給予量化，使得施工圖設(shè)計(jì)、審查均無據(jù)可依。而《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50011—2010)》[2]第6.2.13條第四款中，也僅對框架部分地震剪力值的計(jì)算做出了規(guī)定。由此可知，現(xiàn)行規(guī)范對此類結(jié)構(gòu)尚未有明確、系統(tǒng)的論述。本文結(jié)合筆者所做的工程實(shí)例，淺談少量剪力墻框架結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用。

1 對少量剪力墻框架結(jié)構(gòu)的認(rèn)識

設(shè)置少量剪力墻并沒有改變結(jié)構(gòu)形式，是帶有少量剪力墻的框架結(jié)構(gòu)，屬于一種特殊的框架結(jié)構(gòu)形式，但仍是框架結(jié)構(gòu)[3]。同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所程熙等人[4]的研究表明:”在框架結(jié)構(gòu)中布置少量的剪力墻，結(jié)構(gòu)的主體仍然是框架結(jié)構(gòu)，無論是在承受豎向荷載還是提供抗側(cè)剛度的貢獻(xiàn)中，框架部分都占主要地位?！庇捎诩袅^少，同時(shí)不是主要的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，在風(fēng)荷載或者地震作用較小(不高于多遇地震作用)時(shí)，剪力墻輔助提供其彈性剛度EwIw，使得設(shè)置少量剪力墻后的框架結(jié)構(gòu)能滿足規(guī)范對框架結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角及位移比的要求。在設(shè)防烈度地震及罕遇地震時(shí)，基于剛度分配原則，剪力墻率先吸引了大部分的地震作用，使得剪力墻塑性開展，出現(xiàn)裂縫而剛度退化，不能成為第一道抗震防線;同時(shí)由于剪力墻自身的剛度大，這就決定了剪力墻(不管結(jié)構(gòu)體系如何)不可能成為第二道防線，故剪力墻只需滿足“小震不壞”的要求?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范(GB50011—2010)》[2]第6.5.4條注中也明確表明，少量剪力墻框架結(jié)構(gòu)中剪力墻的抗震構(gòu)造措施，與框架－剪力墻抗震構(gòu)造措施不同。孟建軍[5]的研究表明:少量剪力墻框架結(jié)構(gòu)中的剪力墻抗震等級，可取框架的抗震等級。而在罕遇地震時(shí)，大震作用下剪力墻開裂剛度退化，

圖1 一層結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖2 二層結(jié)構(gòu)平面布置圖

使得框架和剪力墻之間的塑性內(nèi)力重分布，進(jìn)而讓框架成為主要抗側(cè)力構(gòu)件。此時(shí)雖然整體結(jié)構(gòu)剛度有所削弱，受到的地震作用及吸收的地震能量也隨之減少，但框架部分承擔(dān)的地震作用反而有可能增大，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)需引起足夠的重視，故對這類框架結(jié)構(gòu)，建議必須先按純框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，再考慮按框架與剪力墻協(xié)同工作(即按框架－剪力墻結(jié)構(gòu))進(jìn)行計(jì)算，最終進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

2 工程實(shí)例與分析

某辦公樓為框架結(jié)構(gòu)，共五層，結(jié)構(gòu)高度約為23.2m，工程抗震設(shè)防類別為丙類，位于福州市閩侯地區(qū)，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.1g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，三類場地，一層及二層結(jié)構(gòu)平面布置圖如(圖1、圖2)所示，結(jié)構(gòu)立面示意圖如(圖3)所示。

設(shè)計(jì)兩個(gè)方案進(jìn)行比較研究，方案一:均布置普通框架梁柱。方案二:僅在一層和二層的1軸和7軸樓梯間處布置剪力墻(詳圖1及圖2)，其余部位均布置普通框架梁柱。方案一和方案二均采用PKPM軟件電算。

上述兩種方案經(jīng)電算后，不同工況下最大層間位移角計(jì)算結(jié)果如(表1)所示，不同工況下最大層間位移與平均層間位移的比值計(jì)算結(jié)果如(表2)。

由表1可知，純框架方案和少量剪力墻框架方案的最大層間位移角都在Y雙向地震作用工況下，但兩者相比，加了少量剪力墻后，最大層間位移角由1/673降低至1/716，降低了6%。究其原因，由于設(shè)置了少量的剪力墻，提高了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，改善了結(jié)構(gòu)的抗震性能，故使得最大層間位移角減小。河北工程大學(xué)的楊樹標(biāo)教授等人[6]的研究成果表明:在框架結(jié)構(gòu)中設(shè)置少量剪力墻是在結(jié)構(gòu)體系層次改善抗震性能的措施，不僅能減小結(jié)構(gòu)的層間位移角，而且可以改變結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制，使框架結(jié)構(gòu)真正實(shí)現(xiàn)規(guī)范要求的“強(qiáng)柱弱梁”的延性破壞機(jī)制。

圖3 結(jié)構(gòu)立面示意圖

表1 不同工況下最大層間位移角

圖5 第2層少量剪力墻框架混凝土構(gòu)件局部配筋簡圖

表2 不同工況下最大層間位移與平均層間位移的比值

由(表2)可知，純框架方案和少量剪力墻框架方案的最大層間位移與平均層間位移的比值(即位移比)都在Y－偶然偏心地震作用工況下，但兩者相比，加了少量剪力墻后，最大位移比由1.51降低至1.37，降低了9.27%。而位移比與扭轉(zhuǎn)效應(yīng)有關(guān)，反映的是結(jié)構(gòu)實(shí)際存在的扭轉(zhuǎn)量，設(shè)置了少量剪力墻，降低了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。究其原因，由(圖1)可知，本工程屬于長寬比較大的長矩形平面，當(dāng)長寬比超過一定數(shù)值時(shí)，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)便表現(xiàn)得比較明顯，故本工程采用純框架結(jié)構(gòu)時(shí)，Y－偶然偏心地震作用工況下位移比不能滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)抗震性能很差。鄭從立等工程師[7]的研究亦表明，在類似工程中，采用少量剪力墻框架結(jié)構(gòu)，能減少結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，改善結(jié)構(gòu)整體的抗震性能。

3 配筋比較

以第二層為例，截取方案二中剪力墻周邊的配筋結(jié)果與方案一中對應(yīng)位置的配筋結(jié)果進(jìn)行比較。方案一的第二層混凝土構(gòu)件局部配筋簡圖如(圖4)，方案二的第二層混凝土構(gòu)件局部配筋簡圖如(圖5)。

對比兩個(gè)方案的柱配筋，發(fā)現(xiàn)在設(shè)置了剪力墻后，剪力墻范圍附近的框架柱在剪力墻平面內(nèi)方向的配筋減少。究其原因，是由于剪力墻自身平面內(nèi)的剛度較大，吸引了較多水平力。對比兩個(gè)方案的梁配筋，發(fā)現(xiàn)梁配筋的變化規(guī)律與柱配筋的變化規(guī)律類似。兩種方案的配筋存在一定的差異，通過兩種方案的對比，也從側(cè)面反映了對少量剪力墻框架結(jié)構(gòu)按純框架結(jié)構(gòu)和按框架與剪力墻協(xié)同工作(即按框架－剪力墻結(jié)構(gòu))分別計(jì)算，包絡(luò)設(shè)計(jì)是必須的。

4 結(jié)論與展望

在實(shí)際工程中，應(yīng)充分運(yùn)用少量剪力墻框架結(jié)構(gòu)的概念進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確把握結(jié)構(gòu)體系及結(jié)構(gòu)布置。筆者在此次工程實(shí)例的設(shè)計(jì)過程中，得到如下結(jié)論:

(1)少量剪力墻框架結(jié)構(gòu)分析計(jì)算中除應(yīng)考慮剪力墻與框架的協(xié)同工作，還應(yīng)考慮按純框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，最后框架部分取兩種工況的包絡(luò)值進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。

(2)僅需在結(jié)構(gòu)底部幾層設(shè)置少量剪力墻(一般在樓電梯處)，便能提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，減小結(jié)構(gòu)的層間位移角及位移比，降低扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，改善結(jié)構(gòu)抗震性能。

對今后少量剪力墻框架結(jié)構(gòu)的研究，筆者有如下展望:

(1)可通過試驗(yàn)對剪力墻的剛度退化規(guī)律進(jìn)行研究，分析少量剪力墻框架結(jié)構(gòu)層間位移角與剛度退化的關(guān)系，并將其應(yīng)用到之后的結(jié)構(gòu)分析中。

(2)目前規(guī)范對少量剪力墻框架結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角限值尚未做出明確規(guī)定，可進(jìn)行這方面的研究。

[1]JGJ 3－2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程[S].

[2]GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]朱炳寅.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問答及分析[M].

[4]程熙，周德源，薛志萍.含少量抗震墻的RC框架結(jié)構(gòu)位移限值探討[J].結(jié)構(gòu)工程師，2013，29(1):17－21.

[5]孟建軍.淺析少量抗震墻的框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和運(yùn)用[J].科技致富向?qū)В?011，(23):362 －363.

[6]楊樹標(biāo)，郭恩平，賈劍輝.設(shè)置少量剪力墻的多層框架結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制研究[J].煤炭工程，2012，(3):114－116.

[7]鄭從立，吳映棟，任光勇.少量剪力墻框架結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].浙江建 筑，2011，28(9):13 －15.