何 鑫

(中信建筑設計研究總院有限公司, 湖北武漢 430000)

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)設計若干問題探討

何 鑫

(中信建筑設計研究總院有限公司, 湖北武漢 430000)

針對某18層框架-剪力墻結(jié)構(gòu)辦公樓，首先進行了結(jié)構(gòu)體系的判斷，然后對周期比以及框架部分承受地震傾覆力矩的比例進行了計算分析，并對這兩項指標的控制提出了具體措施及設計建議，供類似設計參考。

框架-剪力墻； 結(jié)構(gòu)設計； 周期比； 傾覆力矩

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)由框架和剪力墻組成，以其整體承擔荷載和作用，這種結(jié)構(gòu)同時兼有框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，在辦公類高層建筑中應用相當普遍。本文針對某18層框架-剪力墻結(jié)構(gòu)辦公樓，首先進行了結(jié)構(gòu)體系的判斷選取，然后對周期比以及框架部分承受地震傾覆力矩的比例進行了計算分析，并對這兩項指標的控制提出了具體措施及設計建議，供類似設計參考。

1 工程概況

武漢地區(qū)某18層框架-剪力墻結(jié)構(gòu)辦公樓，首層層高5.4 m,其他層層高3.9 m,室內(nèi)外高差0.6 m,總高度72.3 m；抗震設防烈度為 6 度，設計基本地震加速度值為0.05g,設計地震分組為第一組，建筑抗震設防類別為標準設防類(丙類)；基本風壓0.35 kN/m2(50 a一遇)，地面粗糙度類為A類。結(jié)構(gòu)標準層平面布置如圖1所示。結(jié)構(gòu)整體計算采用中國建筑科學研究院編制的 PKPM系列 SATWE(V2.2版)。初步設計時，剪力墻厚度均為200 mm，框架柱截面尺寸根據(jù)軸壓比取800 mm×800 mm、1 000 mm×1 000 mm、 1 100 mm×1 100 mm，外圍框架梁截面尺寸為300 mm×700 mm,內(nèi)部框架梁截面尺寸按跨度選取。

圖1 標準層結(jié)構(gòu)平面

2 結(jié)構(gòu)體系的選擇

JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術規(guī)程》[1]第9.1.2條規(guī)定：對高度不超過60 m的框架-核心筒結(jié)構(gòu)，可按框架-剪力墻結(jié)構(gòu)設計。該建筑總高度為72.3 m，大于60 m，故按規(guī)范建議，需按框架-核心筒結(jié)構(gòu)進行設計。但此時，核心筒角部邊緣構(gòu)件設置要求較高，結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性較差。而考慮到該建筑總高度不高(不超過A級高度框架-剪力墻結(jié)構(gòu)最大適用高度限值的80 %[2]即104 m)，且位于6度區(qū)，故最終仍選擇按框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系進行設計，只在結(jié)構(gòu)局部采取一定的抗震加強措施。

3 周期比及傾覆力矩計算分析

3.1 周期比計算分析

結(jié)構(gòu)自振周期表示結(jié)構(gòu)自身的性能,其中扭轉(zhuǎn)周期的相對大小反映了結(jié)構(gòu)抗扭剛度的大小，抗扭剛度較小的結(jié)構(gòu),其扭轉(zhuǎn)周期必然較長,甚至長于結(jié)構(gòu)平移周期。地震時,這樣的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)反應一般會較大,不利于抗震[3]。故規(guī)范對結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1的比值進行了限制，即提出了周期比要求。

利用PKPM軟件對圖1所示結(jié)構(gòu)平面進行建模計算分析，計算結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)第一平動周期T1為2.508 6s，第一扭轉(zhuǎn)周期Tt為2.611 6s，周期比Tt/T1=1.04，大于規(guī)范限制0.9[1]，故需對圖1結(jié)構(gòu)平面進行調(diào)整?，F(xiàn)擬采取以下措施降低結(jié)構(gòu)周期比：

(2)在結(jié)構(gòu)平面角部增設長2m、厚300mm剪力墻(圖2)，同時將外圍①軸、⑨軸、軸、軸框架梁高度由300mm×700mm增加為300mm×800mm，增加結(jié)構(gòu)整體抗扭剛度。

圖2 標準層局部結(jié)構(gòu)平面

按以上措施分別調(diào)整計算模型，詳細計算結(jié)果如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)周期比及框架傾覆力矩比例

由表1可知，措施一在提高結(jié)構(gòu)抗扭剛度的同時提高了結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，且抗側(cè)剛度提高幅度大于抗扭剛度，故對結(jié)構(gòu)周期比調(diào)整效果不佳。措施二、措施三對結(jié)構(gòu)抗扭剛度提高幅度遠大于抗側(cè)剛度，故對周期比調(diào)整效果明顯。但措施二對建筑立面效果及使用功能影響較大，需在方案階段與相關專業(yè)溝通協(xié)調(diào)。

3.2 傾覆力矩計算分析

框架-剪力墻結(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對結(jié)構(gòu)性能有較大影響，結(jié)構(gòu)設計時，應據(jù)此比值確定該結(jié)構(gòu)相應的適用高度和構(gòu)造措施[1]。

表1列舉了在各結(jié)構(gòu)平面布置方案條件下，Y向結(jié)構(gòu)底層框架部分承受的地震傾覆力矩比例，根據(jù)《高規(guī)》8.1.3的規(guī)定，當結(jié)構(gòu)地震傾覆力矩比例大于50 %但不大于80 %時，其最大適用高度可比框架結(jié)構(gòu)適當增加。規(guī)范規(guī)定的框架結(jié)構(gòu)最大適用高度為60m，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)最大適用高度為130m，該建筑總高度為72.3m，因規(guī)范未明確適用高度適當增加的具體方法，故按照參考文獻[4]中介紹的插值法，計算出該結(jié)構(gòu)地震傾覆力矩最大允許比例為74.7 %。由表1可知，各方案均滿足要求，但措施二在改善了結(jié)構(gòu)周期比的同時，將框架地震傾覆力矩比例降到了50 %以下，效果最為理想。而在采用措施三后，雖然結(jié)構(gòu)周期比改善明顯，但框架地震傾覆力矩比例有所增加，設計時應綜合考慮。

4 結(jié) 論

(1)對于6度區(qū)的框架-核心筒結(jié)構(gòu)，當建筑總高度不超過A級高度框架-剪力墻結(jié)構(gòu)最大適用高度限值的80 %時，為提高結(jié)構(gòu)設計的經(jīng)濟性，在采取一定的抗震加強措施后，仍可按框架-剪力墻結(jié)構(gòu)進行設計。

(2)對于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，當結(jié)構(gòu)底層框架部分承受的地震傾覆力矩比例大于50 %但不大于80 %時，其最大適用高度可按參考文獻[4]中介紹的插值法進行計算。

(3)通過在結(jié)構(gòu)平面角部增設剪力墻，可有效改善框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的周期比，同時降低框架傾覆力矩比例；而加大外圍框架梁截面高度雖可改善結(jié)構(gòu)周期比，但框架傾覆力矩比例會有所增加，設計時應綜合考慮。

[1]JGJ3-2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術規(guī)程 [S].

[2] 朱炳寅.建筑結(jié)構(gòu)設計問答及分析[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[3] 方鄂華，程懋琨. 關于規(guī)程中對扭轉(zhuǎn)不規(guī)則控制方法的討論[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，2005，35(11)：12-15.

[4] 朱炳寅.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術規(guī)程應用與分析.JGJ：3-2010 [M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

何鑫(1983～)，男，工學碩士，工程師，從事結(jié)構(gòu)工程研究與設計。

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[定稿日期]2016-10-19