框—剪结构在地震荷载下的优化设计.doc

1、框剪结构在地震荷载下的优化设计摘要：通过对框架剪力墙结构的受力分析，探讨了剪力墙刚度与地震荷载之间的关系，提出了确定剪力墙合理数量的方法，同时提出了剪力墙的合理布置方案。 Abstract:Through the stress analysis of the frame-shear wall structure,discusses the relationship between the shear wall rigidity and seismic load,points out the method to determine the reasonable volume of shear w

2、all ,at the same time ,puts forward the reasonable sheme of arrangement. 关键词：框架剪力墙，剪力墙数量，刚度，剪力墙布置 Key words: frame-shear wall,quantity of shear wall,rigidity ,arrangement of shear wall 中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号： 最近几年，世界各地相继发生地震，人员伤亡惨重。从某种意义上讲，致命的不是地震，而是在地震中倒塌的建筑物。因此建筑物的抗震设计非常重要。框架剪力墙结构在高层建筑的结构设计中被大量采用

3、，此结构中剪力墙的刚度较大，主要承担地震荷载。本文通过对框架剪力墙结构的受力分析，提出了剪力墙合理数量的确定方法，并从几个方面提出了剪力墙的合理布置方案。 1.框架剪力墙结构的受力分析 对于独立的剪力墙结构可将其视为一空腹的悬臂梁，如果在相邻层的反弯点处将其切开，则可形成一剪力块，其变形是由剪力所引起的。而对于独立的剪力墙结构。可将其视为一垂直于地面的悬臂梁，其变形主要是由弯矩引起的。 而在框架剪力墙结构中，相当于用连杆将框架和剪力墙连成一个组合体系，构成了协同工作，他们不能单独弯曲变形或剪切变形，因此，框架剪力墙结构的变形曲线为弯剪型，其水平位移特征居于框架和剪力墙之间。 因此，在框架剪力墙

4、结构中，如果剪力墙的刚度很大时，组合体系的变形将接近剪力墙的变形，如果框架的刚度很大时，组合体系的变形将接近框架的变形。故在底部剪力墙将协助框架工作，以减少框架的变形，在顶部框架将协助剪力墙工作，以减少剪力墙的变形。所以，由以上我们可以得知，框架剪力墙结构中，框架主要承担竖向使用荷载，而剪力墙刚度较大，主要承担地震荷载。 2.剪力墙合理数量的确定 在地震时，高层建筑结构是否安全，其适应变形的能力相对强度来说显得更为重要。所以在研究高层建筑结构的抗震设计时，我们主要研究如何确定结构的刚度。 2.1 地震荷载与剪力墙刚度之间的关系 框架剪力墙结构体系的运动微分方程为 （1） 求解方程，框架剪力墙结

5、构自震周期 （2） 令， ，再对求导得 （3） 我们可以看出（） ，所以是的增函数，知与成反比关系，所以与也成反比关系。我们又知地震荷载与成反比关系，故得地震荷载与剪力墙刚度成正比关系。即剪力墙刚度越大，地震荷载越大。 由以上推导可知，地震荷载与剪力墙刚度成正比关系，即地震荷载随剪力墙刚度的增大而增大，减小而减小。所以，我们要研究的主要任务是怎样合理选取剪力墙的刚度，选取一个合适的剪力墙刚度不仅减少了地震荷载，而且又满足了房屋的使用和变形要求。 2.2 剪力墙合理刚度的确定 一般情况下，我们假设地震荷载呈倒三角形分布，在倒三角形分布荷载作用下，我们可以推导得，框架平均总抗侧移刚度为 （4） 又

6、由顶点位移公式推导得， （5） 我们确定了框架剪力墙结构的刚度特征值后，即可根据场地土特征周期（） ，相应于烈度的地震影响系数（） ，许可位移值，和算出。 我们又知，根据框架的设计剪力不宜小于，也不得大于（为底部总剪力） ，所以相应的值应控制在之间。 在确定合适剪力墙刚度时，我们可以先根据经验在之间选出一个合适的值，再计算出对应的，如果算出的值与我们原先选出的值有差别，则再另选一个值，直至选值与计算出的值为止，这样我们就可以找到一个最合适的剪力墙刚度。 3.剪力墙的合理布置方案 剪力墙的布置除了应着重确定剪力墙的数量及其相应的厚度以外，还应在以下几个方面加以注意： （1）剪力墙的厚度：剪力墙的

7、厚度不应小于 160mm 且不应小于层高的 1/20，底部加强部位的剪力墙厚度不应小于 200mm，且不应小于层高的 1/16 剪力墙的周边应设置梁（或暗柱）和端柱组成的边框；端柱截面宜与同层框架柱相同；剪力墙底部加强部位的端柱和紧靠剪力墙洞口的端柱宜按箍筋加密区的要求沿全高加密箍筋。剪力墙的竖向和横向分布钢筋，配筋率均不应小于 0.25，并且双排布置，拉筋间距不应大于600mm,直径不应小于 6mm。 （2）结构的平面布置：剪力墙应双向设置，尽量布置在建筑物的端部。每个方向的剪力墙应做到对称，均匀，沿结构平面的周边布置，尽量做到楼层平面的刚度中心与楼层结构的质量中心相结合，以达到节省造价，提

8、高结构抗扭能力，增加结构安全性的目的。纵，横剪力墙最好能连在一起，构成 T 形，L 形和口字型。 （3）剪力墙的长度：为了让剪力墙有一定的延性，具有弯曲型构件的特征，不会引起剪切型破换，每一片剪力墙（包括单片墙，小开洞墙）或多肢墙墙肢的总高度与其长度的比值 H/L 应不小于 2，其中每一墙肢的长度还不宜大于 8m。过长的墙肢可以利用高度不小于 2/3 层高的施工洞口，划分成两个以上的较窄墙肢 （4）剪力墙中连梁的布置：对于一片截面较长的剪力墙，应利用洞口设置连梁，连梁不能太强又不能太弱，即在水平力作用下，允许连梁首先开裂，进入弹塑性状态，并且要求连梁弯矩不得超过总弯矩设计值的 20，这样就需要

9、降低这层连梁的弯矩设计值，提高相邻上下层弯矩设计值。一，二级剪力墙的洞口连梁，跨高比不宜大于 5，梁截面高度不应小于 400mm。 4.结语 （1）在框架剪力墙结构设计中，剪力墙是抗震的主要结构。通过研究框架剪力墙结构的受力特征，以及地震荷载与剪力墙刚度之间的关系，推导出确定合理剪力墙数量的方法，达到了减少地震荷载又满足了房屋的使用和变形要求。 （2）剪力墙的布置还应在剪力墙的厚度，结构的平面布置，剪力墙的长度及片数以及连梁的合理布置等方面加以注意，不仅要达到规范的要求，还要力求达到结构的优化设计，减少工程造价的目的。 参考文献： 北京建筑工程学院，南京工学院.建筑结构抗震设计M.北京：地震出版社，1987.173190 张炳华，侯昶.土建结构优化设计M.上海：同济大学出版社，1988.225229 简明抗震结构设计施工资料集成编委会. 简明抗震结构设计施工资料集成M.北京：中国电力出版社 建筑抗震设计规范（GB50010-2002） S.北京：中国建筑工业出版社