少墻框架的規(guī)范理解與應(yīng)用

唐 偉

(中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院，北京 100044)

0 引言

新版抗規(guī)與新版高規(guī)已經(jīng)頒布和使用。這兩本規(guī)范中均對(duì)“少墻框架”的定義與設(shè)計(jì)方法做出了解釋和相應(yīng)要求。認(rèn)真理解這些規(guī)定和要求有助于更好的在具體項(xiàng)目中應(yīng)用少墻框架結(jié)構(gòu)體系。

1 少墻框架結(jié)構(gòu)的定義

少墻框架結(jié)構(gòu)實(shí)際上是框架—剪力墻結(jié)構(gòu)中的一類較為特殊的形式，它的受力特征在“框架結(jié)構(gòu)—框架剪力墻結(jié)構(gòu)—剪力墻結(jié)構(gòu)”的變化中接近框架結(jié)構(gòu)。JGJ 3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程和GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)此都有相應(yīng)的定義和設(shè)計(jì)方法。

1.1 新抗規(guī)對(duì)少墻框架結(jié)構(gòu)的劃分與定義

在GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中，6.1.3條及其條文解釋將框架—剪力墻結(jié)構(gòu)分為三類，見表1。

表1 抗規(guī)對(duì)框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的細(xì)分

1.2 新高規(guī)對(duì)少墻框架結(jié)構(gòu)的劃分與定義

在JGJ 3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程中，8.1.3條按照在規(guī)定的水平力作用下結(jié)構(gòu)底層框架部分承受的地震傾覆力矩與結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的比值，把框架—剪力墻結(jié)構(gòu)分成了四種類型，并給出相應(yīng)設(shè)計(jì)方法，見表2。

2 少墻框架結(jié)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計(jì)問題

2.1 位移指標(biāo)的控制

按照GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中6.1.3條的條文解釋，少墻框架層間位移角限值需按底層框架部分承擔(dān)傾覆力矩的大小，在框架結(jié)構(gòu)和框架—抗震墻結(jié)構(gòu)兩者的層間位移角限值之間偏于安全內(nèi)插。而按照J(rèn)GJ 3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程中8.1.3條的條文解釋，少墻框架的位移相關(guān)控制指標(biāo)按框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的規(guī)定采用，對(duì)于Mf/M0≤80%的情況，如果最大層間位移角不能滿足框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的限值要求，可按有關(guān)規(guī)定，進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震性能分析論證。

表2 按傾覆力矩比細(xì)分的框架剪力墻結(jié)構(gòu)

2.2 防震縫寬度

按GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中6.1.4條規(guī)定，少墻框架結(jié)構(gòu)應(yīng)按框架結(jié)構(gòu)的要求設(shè)置抗震縫。

2.3 剪力墻的設(shè)計(jì)

按GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中6.2.13-4條規(guī)定，設(shè)置少量抗震墻的框架結(jié)構(gòu)，其框架部分的地震剪力值，宜采用框架結(jié)構(gòu)模型和框架—抗震墻結(jié)構(gòu)模型二者計(jì)算結(jié)果的較大值。按照這個(gè)要求實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，框架的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行兩個(gè)模型的包絡(luò)設(shè)計(jì)，即根據(jù)不帶剪力墻的框架結(jié)構(gòu)模型和帶剪力墻的少墻框架結(jié)構(gòu)兩個(gè)模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行框架的設(shè)計(jì)。但對(duì)于抗震墻的詳細(xì)設(shè)計(jì)要求沒有表述。

而JGJ 3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程中，并未對(duì)少墻框架中的剪力墻有特殊說明，但對(duì)于少墻框架結(jié)構(gòu)的表述出現(xiàn)在“8框架—剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”章節(jié)中，這就有了默認(rèn)的一個(gè)前提，即:少墻框架結(jié)構(gòu)屬于框架—剪力墻結(jié)構(gòu)。按此理解，少墻框架中的剪力墻設(shè)計(jì)也須按照普通的框架—剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行。然而我們知道，雖然少墻框架中剪力墻較少或很少，但由于剪力墻的剛度要大于框架，還是會(huì)吸引很大的地震作用，因此少墻框架結(jié)構(gòu)中的剪力墻往往出現(xiàn)抗剪承載力超限和暗柱縱筋超筋的情況，很難調(diào)整。

目前在實(shí)際工程項(xiàng)目中，對(duì)于少墻框架中剪力墻的設(shè)計(jì)沒有統(tǒng)一定論，但是存在幾種設(shè)計(jì)方法:

1)按照構(gòu)造要求進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方法把剪力墻僅當(dāng)作框架結(jié)構(gòu)的一個(gè)安全儲(chǔ)備。具體說就是不看剪力墻的計(jì)算結(jié)果，剪力墻完全按照構(gòu)造要求進(jìn)行分布筋和暗柱縱筋的設(shè)計(jì)。

2)按照剪力墻的承載能力上限進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。對(duì)于沒有超筋(包括抗剪超筋和抗彎超筋)的剪力墻，按照計(jì)算結(jié)果進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。對(duì)于抗剪超筋的剪力墻，按照其截面尺寸所能承受的最大剪力設(shè)計(jì)值進(jìn)行墻體的水平分布筋的設(shè)計(jì)。按構(gòu)造要求進(jìn)行墻體的豎向分布筋設(shè)計(jì)。對(duì)于抗彎超筋的剪力墻，按照計(jì)算結(jié)果進(jìn)行墻體水平及豎向分布鋼筋的設(shè)計(jì)。暗柱的縱筋可按照暗柱的最大配筋率進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果抗彎超筋較多，可以將暗柱適當(dāng)加大，以滿足暗柱最大配筋率的要求。

以上兩種設(shè)計(jì)方法中，第一種設(shè)計(jì)方法的思路是，把少墻框架結(jié)構(gòu)仍歸到框架結(jié)構(gòu)的范疇，框架按照有墻無墻兩個(gè)模型進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，而剪力墻僅用來提供側(cè)向剛度，以解決純框架結(jié)構(gòu)小震時(shí)彈性層間位移角超出限值的問題(無墻模型的層間位移角可以不考慮限值要求)。剪力墻在中震及大震情況下破壞，退出工作。框架按照包絡(luò)設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。

第二種設(shè)計(jì)方法的思路在第一種設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步提高剪力墻的設(shè)計(jì)配筋標(biāo)準(zhǔn)，不僅僅解決純框架結(jié)構(gòu)小震時(shí)彈性層間位移角超出限值的問題，同時(shí)盡可能高的加強(qiáng)剪力墻，使之即使不能完全實(shí)現(xiàn)“第一道防線”的作用，也能在地震作用下吸收一定的地震能量，減輕框架的負(fù)擔(dān)，從而增加安全儲(chǔ)備。

由于規(guī)范缺少詳細(xì)的說明，因此上述兩種少墻框架中剪力墻的設(shè)計(jì)方法并沒有在設(shè)計(jì)院之間形成明確共識(shí)，不同的審圖單位執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同，因此具體的工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)方應(yīng)與審圖單位對(duì)此問題進(jìn)行充分有效的溝通。或者在結(jié)構(gòu)方案階段就結(jié)構(gòu)體系的選擇上盡可能避開少墻框架這種結(jié)構(gòu)類型。

3 少墻框架的經(jīng)濟(jì)性比較

規(guī)范在設(shè)計(jì)上給出了對(duì)于少墻框架結(jié)構(gòu)的相關(guān)要求，而設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行一個(gè)具體的項(xiàng)目時(shí)，不僅僅要看選擇的結(jié)構(gòu)體系是不是符合項(xiàng)目本身的特性，也要看結(jié)構(gòu)體系的經(jīng)濟(jì)性。下面用一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)例看一下少墻框架對(duì)于框架結(jié)構(gòu)是否經(jīng)濟(jì)。

一工程平面布置為:長(zhǎng)8.4 m×6，寬8.4 m ×4，共6層，層高均為3.8 m，平面布置見圖1。

圖1 框架結(jié)構(gòu)平面布置圖

地震相關(guān)參數(shù)為:8度(0.20g)，Ⅱ類場(chǎng)地，設(shè)防地震分組第一組，考慮偶然偏心。方案A采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，框架柱700×700，框架梁400×700，計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范相關(guān)要求。方案B采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，框架柱600×600，框架梁400×700，計(jì)算結(jié)果中的層間位移角不滿足規(guī)范要求。方案C在方案B的基礎(chǔ)上利用樓梯間增設(shè)了少量剪力墻(見圖2)，剪力墻厚200，根據(jù)計(jì)算結(jié)果方案C為少墻框架結(jié)構(gòu)。方案A，B，C對(duì)應(yīng)的信息及計(jì)算結(jié)果見表3。

圖2 少墻框架結(jié)構(gòu)平面布置圖

表3 方案A，B，C的分析結(jié)果對(duì)比

按照GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，在框架結(jié)構(gòu)和框架—抗震墻結(jié)構(gòu)兩者的層間位移角限值之間偏于安全內(nèi)插。

3.1 X向?qū)娱g位移角限值

1)按照 Mf/M0=1.0，層間位移角限值1/550，Mf/M0=0.5，層間位移角限值1/800來內(nèi)插，得到方案C的層間位移角限值為1/647。

2)按照 Mf/M0=1.0，層間位移角限值1/550，Mf/M0=0.1，層間位移角限值1/800來內(nèi)插，得到方案C的層間位移角限值為1/600。

綜合1)，2)，方案C的X向?qū)娱g位移角限值應(yīng)為1/647。

3.2 Y向?qū)娱g位移角限值

1)按照 Mf/M0=1.0，層間位移角限值 1/550，Mf/M0=0.5，層間位移角限值1/800來內(nèi)插，得到方案C的層間位移角限值為1/721。

2)按照 Mf/M0=1.0，層間位移角限值 1/550，Mf/M0=0.1，層間位移角限值1/800來內(nèi)插，得到方案C的層間位移角限值為1/633。

綜合1)，2)，方案C的X向?qū)娱g位移角限值應(yīng)為1/721。

3.3 經(jīng)濟(jì)性比較

按GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中6.2.13-4條規(guī)定，該項(xiàng)目在考慮少墻框架結(jié)構(gòu)時(shí)，框架的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行方案B(不帶剪力墻的框架結(jié)構(gòu)模型)和方案C(帶剪力墻的少墻框架結(jié)構(gòu)模型)的包絡(luò)設(shè)計(jì)。因此，框架和板配筋的總量為max(322.7;297.0)=322.7 t。剪力墻的配筋按照剪力墻的承載能力上限進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，其墻體鋼筋總量為13.5 t。少墻框架的總用鋼量為336.2 t，大于方案A(框架結(jié)構(gòu))的總用鋼量320.3 t，約增加了5%。而混凝土用量上，少墻框架與方案A基本相當(dāng)。考慮到方案C的剪力墻配筋是按照剪力墻的承載能力上限進(jìn)行的，若全按照構(gòu)造配筋，則用鋼量會(huì)降低。以此例綜合來看，方案C與方案A的造價(jià)基本相當(dāng)。

4 結(jié)語

少墻框架結(jié)構(gòu)往往是由于建筑布局而無法設(shè)置足夠的剪力墻而形成典型的框架—剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)出現(xiàn)的。由于在少墻框架結(jié)構(gòu)中，剪力墻無法成為有效的“第一道防線”，而且在經(jīng)濟(jì)性上也沒有優(yōu)勢(shì)，因此在抗震概念設(shè)計(jì)上，我們要盡可能采用其他結(jié)構(gòu)體系而不采用少墻框架結(jié)構(gòu)。另一方面，如果一個(gè)純框架結(jié)構(gòu)其他方面都很合理，僅層間位移角略超規(guī)范限值，這個(gè)時(shí)候才是少墻框架結(jié)構(gòu)得到應(yīng)用的合適機(jī)會(huì)。

［1］ GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］ JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［3］ 朱丙寅.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)用與分析［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.