高层结构设计中框架剪力墙应用与抗震

高层结构设计中框架剪力墙应用与抗震浅析摘要以高层建筑结构设计为研究对象,研究探讨了框－剪结构体系在高层结构设计中的应用,文章首先从框架、剪力墙的受力特性开始,论述了影响剪力墙用量的因素,而后分析了剪力墙合理用量的确定方法,最后深度探讨了竖向荷载作用下框－剪结构的水平作用效应问题。。关键词:框架剪力墙结构设计受力抗震1框架剪力墙受力特点框架剪力墙也称框剪结构，这种结构是在框架结构中布置一定数量的剪力墙，这种剪力墙称为框架剪力墙，由它们构成灵活自由的使用空间，满足不同建筑功能的要求，同样又有足够的剪力墙，有相当大的刚度。框架剪力墙也称框剪结构，这种结构是在框架结构中布置一定数量的剪力墙，这种剪力墙称为框架剪力墙，由它们构成灵活自由的使用空间，满足不同建筑功能的要求，同样又有足够的剪力墙，有相当大的刚度。是由框架和剪力墙结构两种不同的抗侧力结构组成的新的受力形式，所以它的框架不同于纯框架结构中的框架，剪力墙在框剪结构中也不同于剪力墙结构中的剪力墙。因为，在下部楼层，剪力墙的位移较小，它拉着框架按弯曲型曲线变形，剪力墙承受大部分水平力，上部楼层则相反，剪力墙位移越来越大，有外侧的趋势，而框架则有内收的趋势，框架拉剪力墙按剪切型曲线2框－剪结构在建筑中的应用思路高层建筑是社会经济发展和科学技术进步的产物。城市人口集中,用地紧张以及商业竞争的激烈化,促进了高层建筑的出现和不断发展。在高层建筑结构设计中,水平荷载是设计的主要控制因素。分析水平荷载与结构体系的关系,根据建筑高度、尺寸和其他条件,选择经济而有效的结构类型和结构体系,便成为结构设计的首要问题。高层建筑的结构体系,主要有框架结构体系,剪力墙结构体系,框架－剪力墙结构体系(简称框剪结构体系),筒体结构体系和巨型(超级)结构体系等。这些体系的受力特点、抵抗水平荷载的能力、侧向刚度和抗震性能等都各有不同。框架结构侧向刚度差,抵抗水平荷载的能力较低,底部层间位移大容易引起非结构性破坏和次生灾害,对抗震不利,但它具有空间大,平面布置灵活,立面处理丰富等优点,而剪力墙结构则相反,抗侧力强度和刚度均很大,但平面布置不灵活,不适应大空间的要求。而框剪结构却有框架结构与剪力墙结构两者的优点,把两种结构体系结合起来,在同一结构单元中同时采用框架和剪力墙结构,共同承受竖向和水平荷载,起到了取长补短的作用,因而它广泛地应用于高层办公建筑,旅馆建筑等高层公共建筑中。框－剪结构体系的工程应用表明,框－剪结构是框架和剪力墙两种结构的有机结合。剪力墙结构的位移曲线具有悬臂弯曲梁特征,位移越往上增大越快,成外弯形开口曲线。而在框－剪结构中,框架和剪力墙之间通过平面内刚度无限大的楼盖连接在一起共同抵抗水平力,结构水平位移特征处于框架和剪力墙之间,为反S型曲线,是弯剪型。因此,在框-剪结构中,剪力墙在下部楼层变形小,承担了近80%以上的水平剪力,而在上部楼层,框架变形小,可以协助剪力墙工作,抵挡剪力墙的外拉变形,从而承受很大的水平剪力。所以,框－剪结构是框架和剪力墙两种结构水平变形的有机协调,从而达到减少结构变形,增强结构侧向刚度,提高结构抗震能力的目的,在结构设计中具有很强的适用性。4受力特性分析框－剪结构体系的工程应用表明,框－剪结构是框架和剪力墙两种结构的有机结合。剪力墙结构的位移曲线具有悬臂弯曲梁的特征,位移越往上增大越快,成外弯形开口曲线。而在框－剪结构中,框架和剪力墙之间通过平面内刚度无限大的楼盖连接在一起共同抵抗水平力,结构水平位移特征处于框架和剪力墙之间,为反S型曲线,是弯剪型。因此,在框-剪结构中,剪力墙在下部楼层变形小,承担了近80%以上的水平剪力,而在上部楼层,框架变形小,可以协助剪力墙工作,抵挡剪力墙的外拉变形,从而承受很大的水平剪力。所以,框－剪结构是框架和剪力墙两种结构水平变形的有机协调,从而达到减少结构变形,增强结构侧向刚度,提高结构抗震能力的目的,在结构设计中具有很强的适用性。框－剪结构中框架、剪力墙的受力特性可以用结构刚度特性值l,即框架刚度与剪力墙刚度的比值来表达。若忽略连梁约束和轴向变形的影响,有:糖式中仙:H争为建筑总高度坚;申C摄为框架平均总喷刚度冰;EI纱剪力墙折算总莲抗侧刚度。竞工程实践表明楚:坐(薪1)住踏过小唐,术结构变形曲线桨呈弯剪型弯,影即剪力墙用量典过多鸟,膛此时萄,附结构刚度增大芹,挥自振周期缩短与,翻地震力相应增验加在,围结构延性降低美,小尤动其对框架顶部摔几层极为不利弟。酒尼一般说来创,闻剪力墙数量增扯多对抗震有利湖,她但超过必要限暴度也是不合理怜和不经济的拍,深为了使框架充爬分发挥作用屯,勿剪力墙刚度不张宜过大蚁,俗应使壤鸡1.15探。性(宵2)面那过大蒜,禾结构变形曲线各呈剪弯型宰,豪即剪力墙用量棕过少捐,铲结构判刚度较差忙,揉常不满足变形叉要求挽,枪同时湾,省框架受力过大砍,迟梁柱截面尺寸介加大起,烈导致不经济撞,声因此稠,锻剪力墙刚度不础能过小揭,迁应使弓靠2.4匀。委5梦鼻影响因素探讨启框－剪结构中横,共剪力墙的布置腥和用量是由框宋架、蓝朋剪力墙的受力言特性并结合建畜筑物的功能、循枝布置来决定的烈。正红因此盲,歪影响剪力墙用禾量的因素应主能要从以下方面楼加以考虑：剪离力墙的用量与凉框一剪结构的愈平面布置有关鹊。夫倘剪力墙是框－崖剪结构中主要岩抗侧力构件催,走一般按照糕搭“数均匀、友呢对称、允枣分散、己胆周边我”棋确的原则布置。街德6违疤竖向荷载问题每研究贞在高层建筑结乒构设计中盐,数随着建筑物高壁度的增加侦,槐竖向荷载的作买用逐渐退居次润要地位泉,裤而水平荷载作脏用则上升为主漏要的控制地位松。趟给然而毒,评通过对上述两勤幢框骡—娇剪结构建筑物话的内力分析发莫现酿,吸框架在竖向荷浴载作用下产生允的最大层剪力岔数值较大零,陵水平位移值也吃较大。木炭因此虽,撞在框－剪结构疮设计中灾,混竖向荷载作用悦下的水平作用将效应也应爆予综合考虑。眉(轻1)裳应尽量减少竖愿向荷载的偏心刘作用对结构产蔑生的不利影响懒。由状于框架的轴向届变形引起的水顷平位移与剪力针墙弯曲变形引屑起的水平位移掘不一致泪,扇使框架和剪力女墙之间存在着益相互作用的水并平力搬,宫从受力的角度造分析捐,毫若忽略了竖向鸡荷载所引起的凯框架与剪力墙悔间的水平力变勾化佛,袄对剪力墙来说脏是偏于安全的哭,议而对于框架来息说是偏于不安档全的。祸(店2)丛结构计算时亭,货不同的加载模理式对结构内力历有一定的影响捐。在报实际工程中摊,刘竖向荷载是逐疾层增加的悲,糟框架与剪力墙辩间的轴向变形专差异菊,谷均在施工时逐麦层给予调整。我搞而在结构电算飘时数,当如果将竖向荷帽载一次加在结誉构上删,颤就会使得柱与以剪力墙的轴向挠变形差异较实浇际情况增加桥,割从而引起某些速构件的内力与倘实际情况不符符。稍慢因此司,睡设计时应根据步加载情况对构音件截面及内力表予以调整。欺改善框剪结构慧抗震性能的有茎关措施赚结构控制诱理论将结构的北弹塑性分析与爆抗震相结合、保抗震与消震相匀结合、能动控脸制与设计相结坝难合，通过主动泄或被动的控制她措施，调整结喊构的刚度、强脏度和质量分布商，控制结构实逼现最佳耗能机男构，以增大结裙构的延性和耗读能能力，增强霞结构对地震作袍用下强迫变形贩的适应能力，蓬使其满足抗震呜设防三水准要究求。抗震结构秘按两阶段设计半，即在弹性阶教段按强度控制懂，在弹塑性阶厌段按变形控制淡。这样设计的割结构，既有一脉定的强度，又袍具有较大的延方性和耗能能力融，能一定程度监地适应强烈地领震使结构产生缠的强迫变形。乖淡7宅提高剪力墙的漠抗震性能歌节(驼1)纯将剪力墙做成输四周有梁柱的屈带边框墙。边束框税(蚁明框和暗框击)民可阻止斜裂缝镇向相邻发展，调还可在墙板破献坏后作承重构嚼件代替墙板承貌重且有一定延垄性。边框应具庄有足够的斜截舅面受剪承载力补，以承担因墙计身通裂对边框绕梁柱引起的附闻加剪力。味球(虾2)搬控制每肢墙的候高宽比。必要混时可设结构洞赵口或结构竖缝馅使变成双肢墙基或多肢墙拖,社可控制裂缝和连屈服部位出现胃在结构竖缝和鸦洞口连梁处，熄形成耗能机构眯，同时使原剪坝力墙一分为二俱，刚度降低，圆避免发生剪切恋破坏和底部墙盯体过早屈服。备踢(故3)吩剪力墙的刚性堵连梁，其跨高暑比往往仅为申1雅左右。而试验淘表明：当连梁傲的跨高比为偷5论时，延性和耗京能很好，连梁劝两端相对竖向扭位移的延性系再数都在绑8序以上，滞回曲容线也相当饱满筋；当跨高比降旅至荒1歉时，延性系数挂则降至拐3映左右，滞回曲基线严重捏扰，章耗能很小，最晒后弯剪破坏。馒因此，需要对胀它的组成和构斥造采取一定措孔施。贝措施之一券是在筒1/2乱梁高的中性面蚀上留一水平通督缝，在缝的上书、下两侧各埋扣置钢板，钢板留上开有椭圆形叮螺栓孔，用高以强螺栓把两钢燃板连结。在竖鞠载、风载和小本震下，高强螺喷栓把水平通缝意分开的两部分润连梁连结成整智体工作，使连灯梁具有一定的埋"侧刚性雷"箭。在大震作用倚时我,悉两钢板发生相予对滑动，原来砌跨高比为葵1榜的刚性连梁将父被分成两根跨雾高比为鸣2幅的小梁协同工伟作，翻困试验表明额,倚这样可使延性勒系数由原来的抢3宣提高为问10骆左右。淘遣8.标提高框架的抗遭震性能兼舟(责1)晌加强框架的角欺柱。角柱是连辅结纵横框架的猫枢纽，要增加守框架的空间整攻体性，就要加门强角柱的抗剪向性能。弟这(我2)键沿周圈框架平莲面按锣K看形支撑和玉X纯形支撑布置一台定数量的钢筋相砼抗剪墙板或湖配筋砌块抗剪骄墙板，能有效黑克服框架的剪露力滞后现象，坛显著提高框架许的整体性和抗券推刚度，减少害结构的整体侧判移，特别有利艘于减小层间侧智移。但这种结径构的延性较差储，因此，可以另在墙板上开十收字形结构竖缝旺使之出现薄弱环部位，形成延毯性耗律能墙板。蹈眯(遵3)咬设置偏交斜撑阁等赘余杆件，务用弯曲耗能代耕替轴变耗能，级其中折曲撑由倘钢纤维砼杆制显造，偏心连结猾支撑可用钢杆液或劲性钢筋砼导杆组成洪(唯如图咳2什和图颠3)辆。在强烈地震疯作用下，一方嚷面可利用这些筝赘余杆件的先味期屈服和变形锦来耗散能量，植另一方面当赘去余杆件破坏或轧退出工作后，鸟使得结构由一槽种稳定体系过纤渡到另一种稳要定体系，引起谱结构自振周期悬的改变，以避钓开地震卓越周宗期的长时间持影续作用所引起拢的共振效应。哗厕巴9.逃采用新型复合馋材料节点简提高节点围的强度和延性滑仅靠增加箍筋挠效果并不显著环，而采用钢纤莫维砼和劲性砼竟梁柱节点效果筹较好。由于劲款性钢材或钢纤类维与砼的共同缺工作，使得节冶点区砼的受力步性能特别是剪仆切变形大大改昂善，延性和耗锯能能力显著提昌高。繁纠10.稻提高整体结构创的抗震性能灵神(赞1)浑实行机构控制淡，实现总体屈核服机制。携在结构的撤特定位置设置贡一定数量的人砍工塑性铰，对踏塑性铰发生的拜区域、顺序及虎塑性程度进行蚊控制，使得结教构在强震时能脆形成最佳耗能部机构。在水平广作用下，使水危平构件先于竖普向构件屈服，涝最后竖向构件暮底部屈服。杏弹(控2)漂使结构的刚度盒和承载力相匹铲配。在框剪结歉构中，如剪力跨墙数量多、厚梢度大，刚度自擦然也大，但会梢导致结构自振巧周期减小，总释水平地震作用灰增大；反之刚煮度小，地震力昌也变小。所以嫩，要根据建筑误的重要性、装润修等级和设防主烈度来综合这柱一对矛盾，以有确定出结构的币侧移限值，从远而定出抗震墙亲的数量、厚度痛，做到既安全拐又经济。铅愿(左3)帝使结构的刚度品和延性相匹配佣。剪力墙和框屈架在刚度、弹剃性极限变形值耍和延性系数方蔽面的差异使得狂框剪结构的抗辆震性能大打折轻扣，造成各构迹件不能同步协够调地发挥材料讽抗力而出现先植后破坏被各个秀击破的情况，松大大降低了结药构中各构件的患利用效率和整陕体的抗震可靠凑度。所以，协仁调各抗侧力构滨件的刚度和延便性相匹配是工坝程设计中的一庙条重要抗震设韵计原则。沙为了能够阁使剪力墙和框株架同步工作，汇可采用：懂所·己带竖缝剪力墙暴。竖缝剪力墙醒在水平力作用凯下所产生的侧提移，不再是以谢墙体的剪切变怪形为主而是以两并列柱的弯曲每变形为主，原迅来墙面上的麦堆斜向裂缝被并聚列小柱上、下象端的水平裂缝昂代替。由于剪敌力墙的力学性奴能由剪切转变崭为弯曲，弹性长极限侧移值加表大，延性改善仁，弹塑性耗能丹增加，避免了垮普通抗震墙斜野裂缝出现后的珠刚度严重退化溜。絮·怜采用较好的延铜性偏交支撑，鱼主要构造是交缺叉直撑的交叉窑点处用拼接板谨、高强螺栓与筑阻尼材料组成衬，在小震时，祸叉点处提供足暗够的强度和刚踏度，像普通直宴撑那样工作。定在强震时，上帅撑与下撑无(翁或左撑与右撑锤)薯之间可相对滑答动，导致刚度睡大大下降，可贿提高剪力墙和傍框架之间的协筑同工作能力。括11议框剪结构的抗顷震设计与计算播在现行规亡范的抗震分析慰中采用协同工柿作计算法，即挽采用框架弹性遍刚度和剪力墙台弹性刚度组成米并联体结构模斗型，计算出结比构弹性自振周蛋期，按众值烈冠度计算弹性地粗震作胆用廉芹F斩，并将宵F中贴按弹性刚痒度比值分配给妈框架和剪力墙有。野该计算方法不养能反映出因剪婶力墙开裂、刚炉度在局部发生主突变而引起墙耽体转动给结构援带来内力重分伴布，这样显然丹与实际情况有件误差。惜因此，有必要逆作如下调整：爆呼1.厉在整体按弹性摧方法计算的基楚础上，允许个兼别构件、个别铃部位按弹塑于性性质对刚度金进行调整，也烈允许局部考虑快塑性内力重分限布进行计算捡咸2.养据空间有限元粮程序分析结果脆：受拉墙肢刚闷度退化后，实克际受压墙肢承慨受了贡90%惜的总剪力而受拜拉墙肢仅承受共了揪10%遥，墙肢受剪严裁重不均匀。为奏此对于一、二捐级抗震墙，受乱压墙肢的设计扛弯矩和剪力应冒乘以涛1.25裁，而受拉墙肢万可降低词10首～杯20%壶。氧休3.做加强连梁是改朵善墙肢应力分脆配不均的有效方途径。通过合订理的结构布置宿，使连梁能够谋向各片墙肢传让递更多轴向力都，让各墙肢尽助可能地平均分那担重力而避免谷出现某墙肢全菌截面受拉的情生况，从而也改贝善了墙肢承受则剪力不均的状拥况。对连梁的肆设计应符合：皱距(良1)搭控制连梁端部帝的剪应力不大蒜于仰0.15例，以保证连梁姿具有足够的截愉面和抗剪能力出。梅律(渔2)贴连梁的剪跨比投不应小于懂1.0则，当剪跨比过蛙小时可用水平阵缝将