高烈度地區(qū)框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能分析

摘要：文章分析了框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震的特點(diǎn)，探討了框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能，提出了框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)措施，以供參考。

關(guān)鍵詞：高烈度地區(qū);框架剪力墻結(jié)構(gòu);抗震性能

引言

地震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)是多分量的，即兩個(gè)水平分量和一個(gè)豎向分量，一般認(rèn)為豎向加速度分量為水平加速度分量的60%-70%，豎向地震作用對(duì)建筑物的破壞不及水平地震。但地震災(zāi)害表明，豎向地震作用對(duì)建筑物的影響十分明顯，豎向加速度有可能達(dá)到甚至超過(guò)水平加速度紀(jì)錄值。特別是在高烈度地區(qū)震動(dòng)豎向加速度分量對(duì)建筑物的破壞狀態(tài)和破壞過(guò)程的影響不容忽視。下面將對(duì)高烈度地區(qū)框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行分析。

1框架剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

框剪結(jié)構(gòu)是由框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)兩種不同的受力形式組合而成。在建筑物受到水平力作用時(shí)，其形成的曲線為彎曲形，建筑物類似于豎向懸臂結(jié)構(gòu)，水平受力越大，建筑物頂點(diǎn)位移就相應(yīng)地越大。頂點(diǎn)水平位移與高度有一定的關(guān)系：

當(dāng)所受力為均布荷載時(shí)：U=qH4/8EI

當(dāng)所受力為倒三角時(shí)：U=11Hmax/120EI

如果要使框剪結(jié)構(gòu)有更好的受力作用，那么剪力墻的布置是否合理就顯得尤為重要。對(duì)于較長(zhǎng)的剪力墻應(yīng)該設(shè)置多肢墻，并且框架所能承受的極限力矩應(yīng)該在總結(jié)構(gòu)承受的地震極限力矩的30%～50%。框剪結(jié)構(gòu)，既有框架又有剪力墻，它們與樓板有效地結(jié)合在一起，因此它們的受力變形是一致的，在水平力作用下，它們不能脫離整體而獨(dú)自擺動(dòng)，而是協(xié)調(diào)一致地運(yùn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)受力后的結(jié)構(gòu)非線性曲線與線性曲線受到地震等級(jí)的影響，當(dāng)?shù)卣鸬燃?jí)較高時(shí)，結(jié)構(gòu)非線性曲線與彈性曲線偏離較大，特別是結(jié)構(gòu)上段部分受此影響更加明顯。

框架剪力墻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)表現(xiàn)如下幾點(diǎn)：（1）在荷載承擔(dān)上，框架和剪力墻共同承受結(jié)構(gòu)的豎向荷載，而水平荷載主要由抗側(cè)力大的剪力墻結(jié)構(gòu)來(lái)承受。（2）在受力上，框架剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻承擔(dān)主要的水平剪力，框架柱承擔(dān)剪力減小，彎矩也相應(yīng)減小，從而優(yōu)化柱截面尺寸和配筋，使柱的受力狀況和內(nèi)力分布得到很大改善。（3）在變形上，剪力墻相當(dāng)于豎向懸臂結(jié)構(gòu)，隨高度的增加位移增大，變形主要是彎曲型，而框架相當(dāng)于懸臂剪切梁，隨高度增加位移增加緩慢，變形主要為剪切型。將框架與剪力墻通過(guò)剛度無(wú)限大剛性樓板連接，剪力墻與框架的變形相互約束，其變形曲線成為彎剪型，從而使各層的變形位移趨于均勻。（4）框架剪力墻結(jié)構(gòu)是由很好的耗能性能的連梁、較大抗側(cè)力的剪力墻和柔性好的框架結(jié)構(gòu)組合而成，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震增添了幾道防線的作用。大量的研究表明框架剪力墻具有很好的抗震效果。（5）框架剪力墻結(jié)構(gòu)在水平力作用下的位移有層間位移角控制一般最大位移發(fā)生在"0.4～0.8"樓層間。

1.2框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題

在地震作用的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，由于塑性鉸的出現(xiàn)，構(gòu)件之間的剛度在不斷地發(fā)生變化，也就是說(shuō)，在不斷地進(jìn)行內(nèi)力重分布，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)二道防線的核心概念是框架和剪力墻兩種結(jié)構(gòu)體系之間相對(duì)剛度發(fā)生變化后引起的內(nèi)力重分布。其目的是推遲框架構(gòu)件塑性鉸的出現(xiàn)，避免過(guò)大的塑性變形。按當(dāng)代抗震理論、設(shè)計(jì)方法及采用設(shè)計(jì)軟件，與所有的內(nèi)力重分布相同，可在常規(guī)設(shè)計(jì)中通過(guò)調(diào)整系數(shù)，適當(dāng)增強(qiáng)框架的承載能力或在前述的最小地震作用下對(duì)框架進(jìn)行單獨(dú)分析，使框架具有足夠的強(qiáng)度，在大震非線性分析中，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的性能目標(biāo)。顯然，二道防線的概念就得到了貫徹。因此，高規(guī)要求對(duì)周邊框架進(jìn)行剛度控制必要性的依據(jù)并不充分。

2高烈度地區(qū)框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能

2.1框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作原理

由框架剪力墻的特點(diǎn)可以看出，在水平荷載作用下，框架與剪力墻共同承擔(dān)力且承擔(dān)大小由相互間的剛度來(lái)確定，但不是簡(jiǎn)單的線性分配。既不能按照等效剛度eqEI來(lái)分配，也不可以按照側(cè)移剛度D分配，他們之間的協(xié)同工作關(guān)系確定的抗側(cè)剛度需要另外計(jì)算。在變形上，框—剪結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)反S"型的剪切型曲線。在結(jié)構(gòu)上部與下部剪力墻與框架的變形不一致，在結(jié)構(gòu)下部，變形較小的剪力墻約束變形較大的框架變形;相反，在結(jié)構(gòu)的上部，剪力墻的變形較框架大，因此，框架對(duì)剪力墻也提供相反的拉力，是剪力墻的變形減小。所以，框架剪力墻結(jié)構(gòu)的兩種體系的組合，相互間的協(xié)同工作，使得它比純框架與純剪力墻變形都小。

2.2鋼框架_組合剪力墻結(jié)構(gòu)抗震的局限性

鋼框架與組合墻結(jié)構(gòu)是一種雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，鋼框架作為邊緣構(gòu)件承擔(dān)全部的豎向荷載和一小部分水平荷載，組合墻承擔(dān)絕大部分的水平荷載。在地震作用下，組合墻率先發(fā)揮抗側(cè)作用，依靠混凝土蓋板強(qiáng)大的面外剛度抑制鋼板墻的屈曲變形，使結(jié)構(gòu)不僅具有較大的側(cè)向剛度，又能充分發(fā)揮鋼板的延性與耗能能力;在承載后期，組合墻剛度降低，產(chǎn)生破壞，耗能能力衰退，此時(shí)鋼框架又成為主要的抗側(cè)構(gòu)件，依靠節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)繼續(xù)抵抗地震作用，從而達(dá)到雙重抗側(cè)的效果。

2.3帶轉(zhuǎn)換層的框支剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性分析

帶轉(zhuǎn)換層的框支剪力墻結(jié)構(gòu)由于轉(zhuǎn)換梁上面存在大量質(zhì)量，而下面是空曠樓層在地震作用沖擊下，常因底層框架剛度太弱、側(cè)移過(guò)大、延伸性差以及強(qiáng)度不足而引起破壞，甚至導(dǎo)致整棟建筑物的倒塌。尤其是當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置較高時(shí)，結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)換層附近的剛度、內(nèi)力發(fā)生突變從而形成一些薄弱部位對(duì)結(jié)構(gòu)抗震十分不利。

3高烈度地區(qū)框架剪力墻結(jié)構(gòu)

為提高框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震效果，就要從剪力墻和框架受力原理著手，關(guān)鍵是合理布置剪力墻。框架布置按照純框架結(jié)構(gòu)布置原則，遵循簡(jiǎn)單規(guī)則，柱距大小盡量一致。

3.1剪力墻布置的數(shù)量

框架—剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻承擔(dān)了整個(gè)結(jié)構(gòu)的近"80%的剪力。所以，剪力墻的數(shù)量對(duì)框—剪體系的抗震性能尤為重要，有許多學(xué)者曾經(jīng)研究剪力墻合理的布置數(shù)量，一般都以框架與剪力墻的側(cè)向剛度著手，從剪力墻的底層承擔(dān)的剪力和頂層的位移來(lái)估算框—剪體系的剪力墻數(shù)量。也有由框架與剪力墻協(xié)同變形原理著手，這種體系的最大變形出現(xiàn)在樓層的"1/3～2/3高度處，由此處樓層的框架抗側(cè)剛度作為綜合抗側(cè)剛度參與整體協(xié)同計(jì)算，再由得出的變形條件反算剪力墻數(shù)量。

3.2剪力墻布置的位置

剪力墻布置的位置值得大家探討，位置的不同，對(duì)整體結(jié)構(gòu)的抗震效果明顯不同。尤其對(duì)于不規(guī)則結(jié)構(gòu)的抗震，控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)成為抗震的關(guān)鍵，然而剪力墻對(duì)結(jié)構(gòu)的抗扭影響很大。在以上已經(jīng)分析的結(jié)果顯示，在結(jié)構(gòu)兩主軸方向上剪力墻布置要均勻，以免引起兩主軸方向的抗側(cè)剛度不均勻?qū)е陆Y(jié)構(gòu)一側(cè)太薄弱，位移增大，進(jìn)而扭轉(zhuǎn)也會(huì)增大。在一般不規(guī)則結(jié)構(gòu)中，比如說(shuō)局部凹凸，這些部位往往成為整個(gè)結(jié)構(gòu)薄弱部位，在不影響正常使用功能下，往往通過(guò)增加剪力墻來(lái)加強(qiáng)這些部位。其次在樓梯、電梯等承受的荷載和剪力比較大的部位也需要加強(qiáng)。除此之外，剪力墻集中布置結(jié)構(gòu)中部還是均勻分散布置在周?chē)Ｏ旅媸莾煞N剪力墻布置方式，數(shù)量相同的剪力墻分別布置在結(jié)構(gòu)的中間部位和周邊，分析的結(jié)果如下：

4結(jié)語(yǔ)

框剪結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸優(yōu)化雖然比較重要，但是總體結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)和整體優(yōu)化更加重要，它是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要組成部分。在對(duì)框剪結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量遵循剪力墻布置對(duì)稱，受力均勻分散等原則要求，以保證框剪結(jié)構(gòu)在抗震方面能夠充分發(fā)揮作用。

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