張 揚(yáng)

(山西省建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030013)

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某框架—剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

張 揚(yáng)

(山西省建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030013)

結(jié)合工程實(shí)例，從地基、結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)三方面，闡述了框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，并分析了場(chǎng)地地基處理、結(jié)構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)計(jì)算中的注意事項(xiàng)，使該框架—剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足適用性、安全性、美觀性的要求。

框剪結(jié)構(gòu)，地基，樓層，節(jié)點(diǎn)

1 工程概況

建筑平面整體布局呈“L”形。主樓平面長(zhǎng)×寬為47.6 m×20.3 m，地下1層，地上6層，建筑總高度29.70 m。地下1層層高4.95 m，1層，2層層高5.10 m，3層～6層層高4.50 m，出屋面水箱間及樓電梯機(jī)房高3.40 m。主樓與裙樓高差較大，結(jié)合建筑平面布置方案，將伸縮縫、沉降縫和防震縫三縫合一設(shè)置，自下而上完全脫開(kāi)，形成兩個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元。本工程依據(jù)使用性質(zhì)為乙類建筑，主樓高度大于24 m屬于民用高層建筑，且業(yè)主根據(jù)特殊使用需求首層和屋面設(shè)計(jì)活荷載為7 kN/m2、標(biāo)準(zhǔn)層為5 kN/m2，因此采用框架—剪力墻結(jié)構(gòu)。

建筑設(shè)計(jì)使用年限50年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)?？拐鹪O(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20g，地震分組為第一組。主樓地震作用按8度、抗震措施按9度設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)剪力墻為一級(jí)，框架為一級(jí)。

2 地基設(shè)計(jì)

建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類，屬建筑抗震不利地段?？刹豢紤]濕陷性對(duì)建筑物的影響，但為嚴(yán)重液化場(chǎng)地。主要液化土層為粉土和粉細(xì)砂，深度達(dá)地面標(biāo)高下15 m，其下為卵石層，厚度未揭露。

主樓持力層粉土不滿足承載力要求，且粉土層和其下粉細(xì)砂土層存在嚴(yán)重液化，為消除液化及提高地基承載力，結(jié)合周?chē)h(huán)境，主樓地基采用振動(dòng)沉管砂石樁+水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁)復(fù)合地基，裙樓采用振動(dòng)沉管砂石樁，其上鋪設(shè)300厚級(jí)配良好的砂石褥墊層。施工時(shí)先打沉管砂石樁，后打CFG樁。樁平面布置圖見(jiàn)圖1。

沉管砂石樁樁體材料用含泥量不大于5%的碎石、卵石、角礫、圓礫、礫砂、粗砂、中砂或石屑等硬質(zhì)材料，最大粒徑不宜大于50 mm。沉管砂石樁的樁徑400 mm,樁距1 500 mm，正方形布樁，有效樁長(zhǎng)為14 m，保護(hù)樁長(zhǎng)為500 mm，樁端進(jìn)入卵石層內(nèi)不小于0.5 m。CFG樁樁徑400 mm，樁距1 500 mm，正方形布樁，有效樁長(zhǎng)為10 m，保護(hù)樁長(zhǎng)為500 mm，樁端進(jìn)入粉細(xì)砂層內(nèi)不小于2.0 m。CFG單樁豎向承載力特征值不小于240 kN，CFG樁復(fù)合地基承載力特征值不小于170 kPa。結(jié)合地基承載力及防水要求基礎(chǔ)采用梁板式筏板基礎(chǔ)。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

框剪結(jié)構(gòu)剪力墻的布置通常應(yīng)遵循“均勻、分散、對(duì)稱、周邊”的原則。剪力墻均勻分為幾部分，分散布置在建筑平面上。在結(jié)構(gòu)單元的平面上對(duì)稱布置，使水平力作用線靠近剛度中心，避免產(chǎn)生過(guò)大的扭轉(zhuǎn)。抗震設(shè)計(jì)時(shí)，宜使結(jié)構(gòu)各主軸方向的側(cè)向剛度接近。剪力墻布置在建筑平面周邊，可以加大其抗扭轉(zhuǎn)內(nèi)臂，提高其抗扭轉(zhuǎn)的能力。豎向宜貫通建筑物的全高，避免剛度突變。

為了滿足建筑功能的適用性及美觀性，本工程提高抗側(cè)力的剪力墻只能布置在建筑四周角部。兩柱之間滿布剪力墻會(huì)使剛度過(guò)大，吸收地震力增多，高烈度區(qū)造成邊框柱超筋。樓梯、電梯間樓板開(kāi)洞較大，布置剪力墻予以加強(qiáng)。剪力墻相對(duì)集中布置的不足是墻體受力集中，配筋率較高，容易造成超筋。如果條件允許可將剪力墻分幾部分均勻布置于幾跨內(nèi)，既能使整體結(jié)構(gòu)滿足計(jì)算要求，又能使墻柱構(gòu)件配筋較小。典型樓層結(jié)構(gòu)平面布置圖見(jiàn)圖2。

本工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面：底層框架柱700 mm×700 mm，上部不受建筑造型影響處收縮為600 mm×600 mm；剪力墻X軸向墻體較少，墻厚為350 mm，Y軸向墻厚為300 mm；框架梁典型截面尺寸為350 mm×650 mm?？拐鸬燃?jí)為一級(jí)的框架梁規(guī)范規(guī)定為四肢箍，梁寬350 mm可以較好地放置四肢箍筋，同時(shí)又能使剪力墻縱向鋼筋穿過(guò)框架梁最外側(cè)縱筋內(nèi)。通過(guò)試算確定上部結(jié)構(gòu)嵌固于基礎(chǔ)，地下室頂板厚度取160 mm，其余樓層樓板厚度為100 mm，屋面板厚度為120 mm。墻柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)底部加強(qiáng)區(qū)及約束邊緣構(gòu)件范圍采用C35，其上為C30；梁板都為C30。

結(jié)構(gòu)采用SATWE軟件進(jìn)行整體計(jì)算，分析時(shí)采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)影響的反應(yīng)譜法并考慮偶然偏心影響，抗震分析時(shí)結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05，抗震設(shè)防烈度為8度。試算分析后，剪力墻受力較大部位在特殊構(gòu)件補(bǔ)充定義里單獨(dú)指定豎向配筋率，水平向配筋率根據(jù)計(jì)算確定。

經(jīng)過(guò)SATWE軟件計(jì)算后，通過(guò)查看下列計(jì)算結(jié)果檢查結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理：

1)軸壓比。

考慮地震作用組合的軸壓力設(shè)計(jì)值與柱全截面面積和混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘積的比值，控制結(jié)構(gòu)的延性。

2)周期比。

結(jié)構(gòu)以扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動(dòng)為主的第一自振周期T1之比，控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

3)位移角。

按彈性方法計(jì)算的樓層層間最大位移與層高之比，控制結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度。

4)位移比。

樓層的最大彈性水平位移(或?qū)娱g位移)與樓層兩端彈性水平位移(或?qū)娱g位移)平均值的比值，限制結(jié)構(gòu)平面布置的不規(guī)則性，避免產(chǎn)生過(guò)大的偏心而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

5)剛度比。

確定結(jié)構(gòu)中的薄弱層，控制結(jié)構(gòu)豎向布置，或用于判斷地下室結(jié)構(gòu)剛度是否滿足嵌固要求。

6)剛重比。

結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度與重力荷載設(shè)計(jì)值之比，控制在風(fēng)荷載或水平地震作用下，重力荷載產(chǎn)生的二階效應(yīng)。

7)抗剪承載力比。

樓層全部柱、剪力墻、斜撐的受剪承載力之和與其上一層的承載力之比，限制結(jié)構(gòu)豎向布置的不規(guī)則性。

8)剪重比。

底層水平剪力與結(jié)構(gòu)總重力荷載代表值之比，反映結(jié)構(gòu)的剛?cè)岢潭取?/p>

表1 主要計(jì)算結(jié)果

9)框架柱傾覆力矩百分比。

復(fù)核計(jì)算模型是否可按一般框架—剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

主要計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

經(jīng)計(jì)算分析得結(jié)構(gòu)底層框架部分承受的地震傾覆力矩與結(jié)構(gòu)總的地震傾覆力矩的比值大于10%但不大于50%，按《高規(guī)》8.1.3條第2項(xiàng)規(guī)定，按框架—剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

框剪結(jié)構(gòu)截面設(shè)計(jì)及構(gòu)造要求尚應(yīng)符合剪力墻結(jié)構(gòu)規(guī)定，設(shè)有底部加強(qiáng)區(qū)及約束邊緣構(gòu)件。墻柱連接部位為有端柱形式的邊緣構(gòu)件，既要滿足框架柱計(jì)算配筋值，又要符合邊緣構(gòu)件規(guī)范規(guī)定的配筋率要求。墻柱節(jié)點(diǎn)端柱部分與翼墻縱向鋼筋直徑最多差兩級(jí)，以保證協(xié)同受力。

墻柱配筋見(jiàn)圖3。

抗震等級(jí)為一級(jí)的剪力墻水平施工縫抗滑移應(yīng)符合《高規(guī)》7.2.12條要求，受力較大部位結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)單獨(dú)指定墻體豎向配筋率，對(duì)仍然難滿足要求部位可在墻中增加一排施工縫插筋，規(guī)格可同墻體縱向受力鋼筋，長(zhǎng)度滿足錨固要求。

剪力墻施工縫插筋見(jiàn)圖4。

5 結(jié)語(yǔ)

鋼筋混凝土高層和多層公共建筑中，當(dāng)框架結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度不能滿足抗震或抗風(fēng)要求時(shí)，采用剛度和強(qiáng)度均較大的剪力墻與框架協(xié)同工作形成框剪結(jié)構(gòu)?？蚣軜?gòu)成自由靈活的大空間，以滿足不同建筑功能的要求，同時(shí)又有剛度較大的剪力墻，從而使框剪結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗震抗風(fēng)能力，并大大減少了結(jié)構(gòu)的側(cè)移。在設(shè)計(jì)中，首先將整體框架梁柱布置好，再反復(fù)調(diào)整剪力墻布置位置及長(zhǎng)度，計(jì)算后不僅查看周期、位移結(jié)果，還要查看框架柱傾覆彎矩及0.2V0調(diào)整系數(shù)中規(guī)定水平力框架柱地震傾覆力矩百分比(抗規(guī))，判斷假定的計(jì)算模型是否合理。通過(guò)實(shí)際工程分析，有抗震設(shè)防要求時(shí)，框剪結(jié)構(gòu)是一個(gè)合理的結(jié)構(gòu)體系。

[1] JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

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

[3] GB 50007—2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] 呂西林.高層建筑結(jié)構(gòu)[M].第2版.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2008.

The design and analysis on a frame-shear wall structure

Zhang Yang

(ShanxiStandardInstituteofArchitecturalDesignandResearch,Taiyuan030013,China)

Combining with the engineering examples, from the foundation, structure, node three aspects, this paper elaborated the design method of frame-shear wall structure, and analyzed the matters needing attention in ground foundation treatment, structure arrangement, structural calculation, made the structure design of frame-shear wall satisfied the applicability, safety, beauty requirements.

frame shear structure, foundation, floor, node

1009-6825(2016)10-0050-02

2016-01-25

張 揚(yáng)(1988- )，男，助理工程師

TU398.2

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