摘要:框剪結(jié)構(gòu)由于具有廣泛的適用性和良好的抗震性能，在我國的高層建筑中得到了大量應(yīng)用。本文通過框剪結(jié)構(gòu)的受力特性對(duì)框剪結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析探討。

　　關(guān)鍵詞:高層建筑, 框架--剪力墻,剪力墻數(shù)量, 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　Abstract: The frame structure has broad applicability and good seismic performance; there are a large number of applications in China's high-rise buildings. Force characteristics of the frame structure analyzing and discussing the frame structure.

　　Key words: high-rise buildings, frame - shear wall, shear number, structural design

　　中圖分類號(hào) : TU2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：

　　引言

　　

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展?，F(xiàn)代都市的城市化建設(shè)得到長足發(fā)展.高層建筑在城市土地日益緊張的今天更是得到了投資者的青睞。在高層建筑中, 剪力墻結(jié)構(gòu)因其結(jié)構(gòu)剛度大、空間整體性好, 在水平力作用下側(cè)向變形小, 有利于避免設(shè)備管道與非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞, 因而得到了廣泛的應(yīng)用。本文將著重探討影響剪力墻用量的因素, 提出了如何確定剪力墻合理用量的建議, 可供設(shè)計(jì)中參考采用。同時(shí),討論了在豎向荷載作用下框架--剪力墻結(jié)構(gòu)的水平作用效應(yīng)問題。

　　1、框架--剪力墻結(jié)構(gòu)的受力特性

　　框架結(jié)構(gòu)的變形特性具有剪切型的特點(diǎn),位移越往上增大越慢,呈內(nèi)收形開口曲線, 其變形曲線為剪切型(見圖1)，在純框架結(jié)構(gòu)中,所有框架的變形曲線都是類似的,所以,水平力按各框架的抗推剛度 D 比例分配。剪力墻結(jié)構(gòu)的位移曲線具有懸臂彎曲梁的特征,位移越往上增大越快, 呈外彎形開口曲線(見圖2) 。在平面內(nèi)有很大的抗彎曲剛度, 在一般剪力墻結(jié)構(gòu)中, 所有抗側(cè)力構(gòu)件剪力墻的側(cè)移曲線都是類似的, 水平力在各片剪力墻之間按其等效剛度 EI 比例分配。而在框架--剪力墻結(jié)構(gòu)中,框架和剪力墻之間通過平面內(nèi)剛度無限大的樓蓋連接在一起共同抵抗水平力,以至于它們不能單獨(dú)按各自的彎曲變形或剪切變形而自由變形,它們?cè)谕粯菍拥奈灰票仨毾嗟?在不考慮扭轉(zhuǎn)的情況下)。因此,框--剪結(jié)構(gòu)水平位移特征處于框架和剪力墻之間,為反 S形曲線,是彎剪型(見圖3)。

　　因此,在框--剪結(jié)構(gòu)中, 剪力墻在下部樓層變形小, 承擔(dān)了近80%以上的水平剪力,而在上部樓層, 框架變形小, 可以協(xié)助剪力墻工作, 抵擋剪力墻的外拉變形, 從而承受很大的水平剪力。所以,框
剪結(jié)構(gòu)是框架和剪力墻兩種結(jié)構(gòu)水平變形的有機(jī)協(xié)調(diào),從而達(dá)到減少結(jié)構(gòu)變形, 增強(qiáng)結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度, 提高結(jié)構(gòu)抗震能力的目的,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中具有很強(qiáng)的適用性。

　　框--剪結(jié)構(gòu)中框架、剪力墻的受力特性可以用結(jié)構(gòu)剛度特性值, 即框架剛度與剪力墻剛度的比值來表達(dá)。若忽略連梁約束和軸向變形的影響,有:

　　其中, H 為建筑總高度; Cf 為框架平均總剛度; EIw 為剪力墻折算總抗側(cè)剛度。

　　工程實(shí)踐表明:1)λ過小, 即框架的總剪力剛度與剪力墻彎曲剛度的比值很小, 結(jié)構(gòu)變形曲線呈彎剪型, 也就是說剪力墻用量過多,此時(shí), 結(jié)構(gòu)剛度增大,自振周期縮短, 地震力相應(yīng)增加, 結(jié)構(gòu)延性降低, 尤其對(duì)框架頂部幾層極為不利。一般來說,剪力墻數(shù)量增多對(duì)抗震有利, 但超過必要限度也是不合理和不經(jīng)濟(jì)的,為了使框架充分發(fā)揮作用,剪力墻剛度不宜過大,應(yīng)使λ≥1.15。2) λ過大, 即框架的總剪力剛度與剪力墻彎曲剛度的比值很大,結(jié)構(gòu)變形曲線呈剪彎型, 也就是說剪力墻用量過少, 結(jié)構(gòu)剛度較差,常不滿足變形要求, 同時(shí),框架受力過大, 梁柱截面尺寸加大,導(dǎo)致不經(jīng)濟(jì),因此, 剪力墻剛度不能過小,應(yīng)使λ≤ 2. 4。

　　2、影響剪力墻數(shù)量的因素

　　1) 剪力墻的用量與框
剪結(jié)構(gòu)的平面布置有關(guān)。剪力墻是框--剪結(jié)構(gòu)中主要抗側(cè)力構(gòu)件, 一般按照“均勻、對(duì)稱、分散、周邊”的原則布置。

　　2)剪力墻的用量與結(jié)構(gòu)自振周期密切相關(guān),結(jié)構(gòu)自振周期隨剪力墻剛度增大而變短, 對(duì)于比較正常的框--剪結(jié)構(gòu), 結(jié)構(gòu)自振周期大致為:

　　T1= ( 0. 08~ 0. 12)n (2)

　　T2= ( 1/ 3~ 1/ 5) T 1 (3)

　　T3= ( 1/ 5~ 1/ 7) T 1 (4)

　　其中, T 1, T 2, T 3 分別為結(jié)構(gòu)第 1, 2, 3 自振周期; n 為建筑物總層數(shù)。

　　3)剪力墻用量與結(jié)構(gòu)地震力大小直接相關(guān)。結(jié)構(gòu)總水平地震作用隨剪力墻剛度的增大而加大, 對(duì)于截面尺寸、結(jié)構(gòu)布置都比較正常的結(jié)構(gòu),其底部剪力大約在下述范圍內(nèi):

　　7度Ⅱ類場地土: Fek≈( 0. 015- 0. 03) G (5)

　　8度Ⅱ類場地土: Fek ≈ ( 0. 03- 0. 06) G (6)

　　其中, Fe k為結(jié)構(gòu)底部地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值; G 為結(jié)構(gòu)總重量。

　　當(dāng)結(jié)構(gòu)底部剪力小于上述數(shù)值時(shí), 宜適當(dāng)增加剪力墻用量,提高結(jié)構(gòu)剛度, 適當(dāng)增大地震力以保證安全; 反之, 地震力過大,宜適當(dāng)減少剪力墻用量,以求得合適的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。

　　4) 在確定剪力墻用量時(shí),必須考慮框架剛度?？?-剪結(jié)構(gòu)中,框架和剪力墻是通過平面內(nèi)剛度無限大的樓蓋來共同作用的, 由于樓蓋在水平力作用下會(huì)有一定的變形, 使剛度較小的框架承受的實(shí)際水平力較計(jì)算值大。此外, 框架是框--剪結(jié)構(gòu)抵抗地震力的第二道防線, 有必要提高其設(shè)計(jì)地震力,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí), 應(yīng)有必要的強(qiáng)度儲(chǔ)備。因此,在地震力作用下, 要求框架剪力:

　　Vf ≥ 0.2 V0 (7)

　　Vf ≥1.5 Vf max (8)

　　其中, Vf 為全部框架柱的總剪力; V0為結(jié)構(gòu)的底部剪力; Vf max為框架柱的最大樓層剪力。

　　當(dāng) Vf < 0.2 V0時(shí),說明框架抗剪剛度不足, 應(yīng)加大框架梁柱截面。當(dāng) Vf > 0. 4 V0 時(shí),說明框架抗剪剛度過大,宜減少框架梁柱截面。

　　3、剪力墻合理數(shù)量的確定

　　根據(jù)框--剪結(jié)構(gòu)剛度特征值有:

　　其中, EIw為剪力墻總剛度;EcIc為框架柱總剛度;n為建筑物總層數(shù);h為建筑物層高; α為框架節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)系數(shù),底層柱α= (0.5+i)/(2+ i),i為框架節(jié)點(diǎn)梁柱線剛度比。

　　建筑平面確定后,根據(jù)構(gòu)件剛度、強(qiáng)度和柱最大軸壓比限值要求, 通過預(yù)估樓面荷載從而確定梁柱截面尺寸。因此, 框架柱總剛度 EcIc、框架節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)系數(shù)α 便可算得。根據(jù)框--剪結(jié)構(gòu)的受力特性,要求1.15≤λ≤2.4。這樣,把上述數(shù)據(jù)代入公式, 便可求得所需剪力墻的總剛度 EIw ,從而求得剪力墻的合理用量。

　　4、框架--剪力墻結(jié)構(gòu)的水平作用效應(yīng)問題

　　在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中, 隨著建筑物高度的增加,豎向荷載的作用逐漸退居次要地位,而水平荷載作用則上升為主要的控制地位。工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn),框架在豎向荷載作用下產(chǎn)生的最大層剪力數(shù)值較大,水平位移值也較大。因此,在框--剪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,豎向荷載作用下的水平作用效應(yīng)也應(yīng)予綜合考慮。1)應(yīng)盡量減少豎向荷載的偏心作用對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。由于框架的軸向變形引起的水平位移與剪力墻彎曲變形引起的水平位移不一致,使框架和剪力墻之間存在著相互作用的水平力,從受力的角度分析,若忽略了豎向荷載所引起的框架與剪力墻間的水平力變化,對(duì)剪力墻來說是偏于安全的,而對(duì)于框架來說是偏于不安全的。2)結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí),不同的加載模式對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力有一定的影響。因此,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)加載情況對(duì)構(gòu)件截面及內(nèi)力予以調(diào)整。

　　5、結(jié)語

　　1)在框架--剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,剪力墻剛度的確定除了必須滿足強(qiáng)度條件外, 還必須使結(jié)構(gòu)具有一定的側(cè)向剛度。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)。在框--剪結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)階段,簡捷、正確地確定框剪結(jié)構(gòu)中剪力墻最優(yōu)數(shù)量,不但可避免重復(fù)、繁瑣的結(jié)構(gòu)剛度調(diào)整計(jì)算,還可以達(dá)到經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。2)工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn),框架在豎向荷載作用下產(chǎn)生的最大層剪力數(shù)值較大, 水平位移值也較大。因此,在框架--剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,豎向荷載作用下的水平作用效應(yīng)也應(yīng)予綜合考慮。

　　參考文獻(xiàn):

　　[1]趙西安. 鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社, 1992.

　　[2]JGJ 3-91,鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S].

　　[3]王治平.鋼筋混凝土框架--剪力墻抗震性能研究[J].西安冶金建筑學(xué)院學(xué)報(bào),1992(3):55-58.

　　[4]陳澤釗.某超限高層框支剪力墻結(jié)構(gòu)減震分析[J].山西建筑,2008,34(9): 92-93.