浅谈高层框架剪力墙的结构设计应用.doc

1、1浅谈高层框架剪力墙的结构设计应用摘要：通过对框架剪力墙概念的阐述，并对其受力特征和非线性反应进行了分析，从而进一步说明了框架剪力墙设计的注意事项，改善抗震性能以确保稳定和安全。 关键词：框架剪力墙 高层 结构设计 Abstract: Based on the frame shear wall concept, and its mechanical characteristics and nonlinear responses are analyzed, which further illustrates the matters needing attention in design of f

2、rame shear wall, seismic performance improved in order to ensure the stability and security. Keywords: Design of frame and shear wall high-rise structure 中图分类号：TU318 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012） 钢筋混凝土结构是指用配有钢筋增强的混凝土制成的结构。承重的主要构件是用钢筋混凝土建造的。钢筋承受拉力，混凝土承受压力。具有坚固、耐久、防火性能好、比钢结构节省钢材和成本低等优点，在高层建筑中得到了广泛应用。 一

3、、受力特性分析和影响因素： 1.1 框剪结构体系的工程应用表明，框剪结构是框架和剪力墙2两种结构的有机结合。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

4、，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 ，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： 式中: H 为建筑总高度；Cf 为框架平均总刚度；EwIw 剪力墙折算总抗侧刚度。 1.2 影响因素的探讨： 框剪结构中,剪力墙的布置和用量是由框架、剪力墙的受力特性并结合建筑物的功能、布置来决定的。因此，影响剪力墙用量的因素应主要从以下几个方面加以考虑。 （1）剪力墙的用量与框一剪结构的平面布置有关。剪力墙是框剪结构中主要抗侧力构件，一般按照“均匀、对称、分散、周边”的原则3布置。 （2）剪力墙的用量与结构自

5、振周期密切相关。结构自振周期随剪力墙刚度增大而变短，对于比较正常的框剪结构，结构自振周期大致为：T1=(0.08 0.12)n ；T2(1/ 3 1/ 5) T1； T3(1/ 5 1/ 7) T1 式中: T1，T2，T3 分别为结构第 1、2、3 自振周期; n 为建筑物总层数。 （3）剪力墙用量与结构地震力大小直接相关。结构总水平地震作用随剪力墙刚度的增大而加大，对于截面尺寸、结构布置都比较正常的结构。当结构底部剪力小于上述数值时，宜适当增加剪力墙用量，提高结构刚度，适当增大地震力以保证安全；反之，地震力过大，宜适当减少剪力墙用量，以求得合适的经济技术指标。 二、框架一剪力墙结构的非线性

6、反应分析 钢筋混凝土框架一剪力墙结构，在强烈地震作用下能有效地通过反复的非弹性变形耗散地震能量，是一种较好的抗震结构体系。然而目前的抗震设计规范尚有其不足之处，许多按规范设计的钢筋混凝土框架剪力墙结构房屋，仍然遭到不同程度的甚至是达到失效的严重非结构或结构破坏。因此钢筋混凝土框架一剪力墙结构的非线性分析受到了重视，国内外学者开展了大量的相关研究。 2.1 分析模型 多竖向杆单元模型是一种进来国内外研究较多的非线性分析模型，4它将墙的轴向变形、弯曲变形用多垂直杆模拟，剪切变形用一个剪切弹簧模拟。 图-多竖线单元分析模型 如图所示的多竖向杆单元分析模型，根据墙横截面的应力分布状态，取五根竖向杆，两

7、侧向竖向杆单元代表两边界柱的轴向刚度，内部竖向杆单元代表中间墙板的轴向刚度。墙单元的弯曲刚度由所有竖向杆整体给出。墙体的剪切刚度由图中的水平弹簧提供。五根竖向杆中的中间竖向杆为剪切拉压杆，左右两边杆为屈服拉压杆，左右中间杆为开裂杆，但它们也可能全是弹性杆，也可能只有左右两边杆为开裂杆，这取决于荷载作用情况。对于与框架一剪力墙平行的框架梁，即纵向梁构件采用带非线性转动弹簧的线弹性弹簧梁单元模拟。对于柱单元则假定其只发生非弹性弯曲变性而不发生非弹性轴向变形。对于框架一剪力墙结构中的横向梁两端承受着不同的竖向位移，并且由于节点的转动和两节点转动量的不同，横向梁还承受扭转。因此可采用竖向和转动弹性弹簧

8、来模拟这种效应。模型中指定相对转动中心位于墙构件中心轴上高度 ch 点处, 认为参数 c 的合适值可基于沿层间高度预期的曲率分布选取, 计算中一般取 c=0.4。 试验分析表明，多竖向单元模型考虑了墙截面中性轴的移动，可预测墙的弯曲反应，是一种适合于多层钢筋混凝土框架剪力墙结构的非线性分析的拟三维模型。 52.2 基于自平衡力的动力分析方法 基于自平衡力的动力分析理论的基本思想是：当某一时刻结构构件的一个或几个临界界面达到塑性弯曲承载力时，便认为达到了弹性极限而形成了塑性铰。塑性铰的形成改变了整个结构的刚度矩阵，将塑性铰的转动作为外荷载加到原结构上，计算塑性铰处抵抗塑性转动（引起的应力重分布）

9、的自平衡应力分布。通过这样的处理，使结构恢复到塑性铰转动前的状态，避免修正结构刚度矩阵和对刚度矩阵求逆，从而简化了计算。 2.3 基于自平衡力的框架剪力墙拟三维非线性地展反应分析通过将基于自平衡力的框架结构和剪力墙结构的非线性地震反应分析程序结合起来，得到框架一剪力墙结构的二维非线性地震反应分析程序，然后在二维分析模型上加上横向梁的空间约束作用，便可以得到基于自平衡力的框架一剪力墙结构的拟三维非线性地震反应分析。这种分析方法有效、可靠，能以简单的方式考虑钢筋混凝土框架一剪力墙结构非线性地震反应的重要空间结构。 三、框架剪力墙构造的设计注意事项： 1、部分框架支的设计。对于抗震墙结构和部分框支抗

10、震墙结构，若内纵墙很长，且连梁的跨高比小、刚度大，则墙的整体性好，在水平地震作用下，墙的剪切变形较大，墙肢的破坏高度可能超过底部加强部位的高度，因此将长墙分成墙段，使墙的高宽比大于 2，墙段由墙肢和连梁组成。其目的是设置刚度和承载力较小的连梁（跨高比不小 6 的连梁） ，这样防止在地震作用下，先破坏连梁，使墙段成为抗侧力单元，且墙段6以弯曲变形为主。 2、抗震端的设计。抗震端和部分框支墙结构的墙肢截面长度沿高度不宜有太大出入和变化，一、二级抗震墙的底部加强区以及墙体洞口较大时，最好不要有错洞布置的剪力墙。 3、框支层的设计。部分框支的抗震墙结构在地震作用时有可能将变形集中在框支层上，这样就应该

11、首先加固框支层，使其牢固。一般地规范规定是，框支层的侧向刚度不应小于上一层非框支层的侧向刚度的50%。框支墙的水平地震剪力主要由落地剪力墙承担,所以要保证楼板有足够大的平面内刚度传递水平力。落地墙最大水平间距不宜大于 24m。 4、墙的竖向钢筋的设计。在框架剪力墙中，特别是高层的工程设计里面，竖向钢筋主要起到抗弯作用。高层建筑与底层不同，在目前一些多层低高层剪力墙中电算记过多为构造配筋，但配筋时所取的配筋率有的人往往扣除了约束边缘构件或构造边缘构件中的钢筋，但是高层建筑中的剪力墙设计不能这么做，这一点必须注意。 四、改善框剪结构的抗震性能 4.1 设置多道防线一个抗震结构体系应该由若干个延性较

12、好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接起来协同工作。在发生地震时，建筑物自身内部、外部赘余杆件吸收和消耗大量的地震能量，减轻地震灾害。对于框剪结构是延性框架和抗震墙两个系统组成，具有两道防线，一道是墙体，一道是框架。 4.2 加强框架的抗震性能 （1）加强框架的角柱。角柱是连接纵横框架的枢纽，要增加框架的7空间整体性，就要加强角柱的抗剪性能。 （2）沿周圈框架平面按 K 形支撑和 X 形支撑布置一定数量的钢筋混凝土抗剪墙板或配筋砌块抗剪墙板，能有效克服框架的剪力滞后现象，显著提高框架的整体性和抗侧刚度，减少结构的整体侧移，特别有利于减少层间侧移。但这种结构的延性较差，因此，可以在墙板上开十

13、字形结构竖缝，使之出现薄弱部位，形成延性耗能墙板。 （3）设置偏交斜撑等赘余杆件，用弯曲耗能代替周边耗能。 4.3 加强整体结构的抗震性能 （1）实行机构控制，实现总体屈服机制。在结构的特定位置设置一定数量的人工塑性铰，对塑性铰发生的区域，顺序及塑性程度进行控制，使得结构在强震下能形成最佳耗能机构。在水平作用下，使水平构件先于竖向构件屈服，最后竖向构件底部屈服。 （2）使结构的刚度和承载力相匹配。 （3）使结构的刚度和延性相匹配。 4.4 考虑填充墙变化的抗震包络设计建筑结构设计经验表明，框剪结构的填充墙数量在一定程度上是一个不确定的量，带填充墙框剪结构在不同层的数量变化而产生一定的变化。所以

14、地震作用产生的层剪力本应首先在框架与填充墙之间分配，但考虑到允许填充墙的位置在一定范围内变化，可以偏于安全地由框架及剪力墙承担承担全部地震剪力，按此方法计算设计的框剪结构可在总体上包络住由于填充墙数量和位置的变化二产生的地震内力的变化。 4.5 裙房偏置的高层结构地震扭转控制主群偏置且相连的高层建筑8结构计算符合刚性楼盖假定时可参照下列建议进行扭转计算和抗扭控制。（1）宜采取小震计算控制和大中震抗震措施并重的原则，尤其不可忽视大中震时的抗扭构造措施。 （2）当扭转位移比1.35 时，双向地震作用明显，应进行双向地震作用计算。宜在结构平面上大致划分出受扭敏感区和质心区，进行经济有效的抗扭计算控制

15、。 （3）受扭敏感区内的竖向构件在大中震下的扭矩不可忽视，且处于有扭矩作用的复杂受力状态。其抗扭构造除满足规范要求外，宜按强扭弱弯采取适当增加抗扭构造的措施。 4.6 剪力墙底部加强部位最小厚度的适当取值剪力墙墙厚按层高确定，还受到轴压比限制。对一字形墙体稳定性较差的特点，在没有加厚墙体可能性的前提下，可采用一定的构造措施，以满足稳定性的要求。 4.7 地震作用方向的合理运用 （1）引入水平力与整体坐标夹角的目的，是为了满足结构设计的需要，验算在不同方向下结构的受力和变形情况，使结构趋于安全。 （2）沿着水平力的不同方向，建筑结构会表现出不同的刚度性质，这就意味着相同的地震力沿着不同的方向作用

16、于结构，结构反应的剧烈程度也会不同，所以存在一个最不利地震作用方向（即结构平面的主轴） ，使得结构沿该方向的地震反应最为剧烈。 （3）对于包含斜交抗侧力构件的结构，不管地震作用沿哪个方向，9都无法同时保证所有的构件处于最大的内力状态，所以抗震规范中规定，包含有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于 15 度时，应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。 （4）对于包含斜交构件的结构，每个构件的最大风荷载作用也是有所不同的，要保证所有构件计算的风荷载都按最大风荷载作用方向，只能通过修改水平力与整体坐标的夹角，在不同角度下计算，尽量顾及到每个构件能取到最大迎风面积，整个结构的设计可以基于多次计算的结果，每个构件取最大值。 参考文献： 1 孙雪兰，浅谈高层剪力墙结构的优化设计J，山西建筑，2010，36(24)：5859 2 张毅，高层结构中剪力墙的构造要求及原因分析J，科技资讯，2010(2):3031,33. 3 赵西安，钢筋混凝土高层建筑结构设计M，北京：中国建筑工业出版社，1992.