浅析高层建筑框架一剪力墙结构设计
浅析高层建筑框架一剪力墙结构设计
蔡锐
摘要：阐述框一剪体系变形协调,剪力墙受力状态,变形特性,和对短肢剪力墙采取的加强措施。
关键词:高层建筑；短肢剪力墙；框一剪力墙；结构设计
1 常用结构体系简介
(1)框架结构,侧向刚度小属于柔性结构,一般用于小高层建筑,其优点是内部空间大,平面布置灵活。
(2)剪力墙结构,空间整体性好,侧向刚度大,变形小,由于没有突出梁、柱外露构件,空间使用效率高,适用于高层住宅楼,旅馆等高层建筑。主要缺点是不能提供大空间,建筑布置受到限制,不灵活。由于刚度大、自重重、自振周期短,地震力加大,经济性较差。剪力墙结构派生出部分框肢剪力墙与短肢剪力墙,两者抗震性能较差,建筑适用高度受到限制。
(3)框架—剪力墙结构,是在框架结构中,设置一定数量的剪力墙或利用电梯间核心筒,组成框架—剪力墙结构,这种结构体系既具有框架结构建筑平面布置灵活性,能有较大空间的特点,又有剪力墙结构具有较大侧向刚度和较强的抗震能力,且延性好,可形成双道抗侧力体系。框—剪结构符合抗震结构设计三要求(超静定、延性好,多道防线)。并能达到结构应具有强度,刚度、延性、稳定等方面性能。
2 框架—剪力墙结构受力特性
2.1变形协调
框剪结构由框架和剪力墙两种不同超静定的抗侧力结构组成其受力特性和变形性质都不一样。在水平荷载作用下,单独框架类似于竖向剪切梁呈现剪切变形,楼层越高,水平位移增长越慢,层间位移角θ自上而下,逐层增大。在纯框架结构中,由于各框架变形曲线类似,此时总剪力按各框架抗推刚度D值比例分配。单独的剪力墙类似竖向悬臂深梁,其变形曲线呈弯曲型,楼层越高水平位移增长越快,层间位移角θ,却是自下而上逐层加大,两者位移角增长方向正好相反。在一般剪力墙结构中各剪力墙位移曲线类似,所以,水平力在各剪力墙之间按其等效刚度EIw比例分配。但在框—剪结构中,水平力在两者之间分配既不是按剪力墙等效刚度分配,也不是按框架抗推刚度分配,而是按位移协调的原理进行计算分配。
框—剪结构中,框架,剪力墙处在同一个结构单元中。取长补短,共同工作抵抗水平荷载,在楼板水平刚度足够大时两者连接在一起,不能再单独变形,在平移情况下,二者变形协调相同,整体结构呈现弯切型变形。在楼层下部剪力墙的位移较小,它拉着框架按弯曲型曲线变形,剪力墙承受大部分水平力。楼层上部,刚好相反,剪力墙位移越高越大,此时在框架顶部它拉着剪力墙,按框架本身剪切型曲线变形。框—剪结构中最大层间位移θmax一般发生在0.4—0.8房屋高度处。
2.2受力状态
框架剪力由于楼层上部连杆的拉力与水平荷载方向相同,加大了框架顶部水平剪力,楼层下部连杆产生压力与水平荷载方向相反减少了框架下部的水平剪力,这样原先分配到框架上水平剪力上小,下大,由于连杆内力上加、下减,使得框架最后承受到水平剪力分布上、下都比较均匀。这就使得框架结构顶部楼层即使外荷载产生楼层剪力很小,由于框架帮剪力墙一把,增大了框架顶部剪力,使得顶部框架出现相当大的剪力。这就值得我们注意,当纯框架结构中如果有剪力墙肢或有钢筋混凝土电梯井等弯曲型构件,这时必须按框—剪结构进行内力计算,否则对框架顶部楼层剪力偏小,不安全。
框—剪结构变形曲线与内力分配比例与“刚度特征值”“λ”有关,“λ”与总框架抗推刚度Cf成正比,与总剪力墙等效刚度EIw成反比。“λ”值越小意味着剪力墙刚度越大,相对于框架刚度偏小。但“高规”规定在框-剪结构中,框架承担的楼层剪力Vf不得少于20%基底总剪力V。及最大层剪力1.5倍,两者取小值,剪力墙设置量太多,刚度太大,还会带来负面影响,构件自重量,刚度刚,周期短,地震力增大,材料耗量增多,体系经济性变差。反之,如果剪力墙配置量过小(“λ”>6),会出现剪力墙承担倾覆力矩,小于50%总倾覆力矩,这时框架抗震等级按纯框架结构确定其抗震等级,以提高框架抗震性能,增强“二线”抗震能力,保证结构体系整体安全,总而言之剪力墙设置量不宜过多,也不宜过少,一般“λ”值为1.0~2.4为好。
2.3剪力墙合理数量的决定
(1)影响剪力墙配置数量的主要因素地震设防烈度,房屋高度,剪力墙布置形式、长短、位置、风载大小,场地类别。
(2)剪力墙设置数量,尚须符合下列要求:
①剪力墙承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%;
两个主轴方向地震力作用下,弹性层间位移角θe应小于1/800;
②自振周期合理范围T1=(0.08~0.12)n; n.建筑总层数;
③刚度特征值“λ”宜在1.0~6.0范围内;框架各楼层水力剪力应大于0.2V。及1.5θmax(两者小值)。
(3)剪力墙合理数量估算
结构设计方案阶段,梁、柱截面尺寸,可按框架结构构造要求决定,但剪力墙如何布置,数量多少,这是一个比较棘手的问题,它关系到体系安全和技术经济合理性。从抗震角度出发,多设剪力墙可以提高建筑物的抗震性能。从经济角度考虑宜少设剪力墙,这里必然有一个优化的问题,下表所提供经验数字,可供设计时参考,地震烈度大,层数多,楼层高宜取上值。当房屋平面尺寸接近时,主轴两个方向剪力墙的数量宜相近。
表1 底层结构截面积(剪力截面积Aw和柱截面Ac)与楼面积(A)之比
(1)无洞口整体剪力墙,受力特性如同竖向悬臂梁,截面上正应力呈直线分布,沿墙高弯矩图形为抛物线,弯曲型变形。如图(1)所示。
(2)洞口大、连梁弱的剪力墙受力特性如同两肢独立悬臂梁,由于洞口很大,连梁刚度很小,连梁对墙肢约束作用很弱,墙肢刚度相对较大,此时连梁与墙肢连接可假定为铰接,墙肢上不产生轴向力,各墙肢正应力分布与变形曲线如同整体剪力墙。如图(2)所示。
(3)洞口小、连梁刚的整体小开口剪力墙,由于洞口很小,连梁刚度很大,墙肢刚度又相对较小,此时连梁对墙肢约束作用很大,水平荷载产生弯矩主要由墙肢的轴力承担,弯矩图有突变,但无反弯点,墙肢上正应力呈直线分布,变形曲线以弯曲型为主。如图(3)所示。
(4)介于2、3种之间整体小开口双肢剪力墙,连梁对墙肢有部分约束,墙肢弯矩图有突变,有反弯点(局部楼层),弯曲型变形。如图(4)所示。
(5)壁式框架剪力墙是指墙面上有较多长条形洞口使得连梁与墙肢刚度接近。由于连梁对墙肢约束作用使得墙肢上弯矩图形与框架相似,墙肢、连梁同宽故称为壁式框架。变形曲线以剪切型为主。如图(5)所示。
4 剪力墙划分、短肢剪力墙
4.1按墙肢截面高度“h”与厚度“δ”之比划分:
一般剪力墙 h/δ>8
短肢剪力墙 h/δ>5~8
超短肢剪力墙 3< h/δ<5
柱 h/δ≤3
4.2超短肢剪力墙
由于其抗侧向刚度很弱,抗震性能很差,不宜采用。若体系中有极少数超短肢剪力墙时,其轴压比,纵向配筋率,箍筋加密区范围均应采取加强措施。
4.3短肢剪力墙
(1)“高规”规定高层建筑结构不应全部为短肢剪力墙结构。短肢剪力墙较多时应布置一般剪力墙或筒体,共同抵抗水平力,形成短肢剪力墙与一般剪力墙的剪力墙结构。
(2)如何判定短肢剪力墙较多的剪力墙结构
①当剪力墙结构中由短肢剪力墙所承担的第一振型底部地震倾覆力矩不小于结构总底部地震倾覆力矩的50%;
②当墙肢两侧均与较强的连梁( lb/hb≤2.5),相连时,或与有翼墙的墙肢相连时,均不应判定为短肢剪力墙。
4.4一般剪力墙
当墙较长时宜开设洞口,墙段间用弱连梁连接( lb/hb>5)。独立墙肢的总高与墙肢截面高度之比≥2。墙肢截面高度不宜大于8m。单片剪力墙底部承担的水平剪力不宜超过结构底部总水平剪力的40%。
4.5连梁设计
(1)连梁定义与剪力配筋构造措施
当剪力墙开洞后形成跨高比≤5时称为连梁,否则宜按框架梁进行设计。连梁跨高比<2时,梁中宜加斜向交叉筋,当跨高比<1时,梁中宜加斜向交叉斜柱。
(2)连梁截面、抗剪、抗弯强度不够时可采取如下措施。
①减小连梁梁高,加大梁高会吸引更多剪力,加宽截面宽度很难做到;
②连梁弯矩及剪力可进行塑性调幅,以降低其内力设计值。调幅有两种办法,一是内力计算前将梁刚度折减;二是在内力计算后,将梁弯矩和剪力乘以折减系数。二种办法不能重复使用。当部分连梁减少弯矩后,转移增加到其余部分连梁和墙肢上。
③无论采用何种办法,连梁调幅后的弯矩、剪力设计值,不应低于正常使用状况下的设计值,也不宜低于设防烈度低一度时弯矩设计值,避免梁上出现裂缝,影响正常使用,过多降低连梁抗震能力。
创造力与创新是结构工程师对设计的贡献,帮助建筑师开拓与实现令人们满意的有效的建筑物是结构设计者的职责。通过学习框架—剪力墙,变形协调、受力特点,各类剪力墙变形、受力特征及加深了对短肢剪力墙和连梁的了解,写出本文学习心得。
