框架剪力墻的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及實(shí)際工程應(yīng)用

張 俊 文

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院,山西 太原 030013)

框架剪力墻的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及實(shí)際工程應(yīng)用

張 俊 文

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院,山西 太原 030013)

介紹了框架剪力墻的變形特點(diǎn)、受力特點(diǎn)、截面設(shè)計(jì)與構(gòu)造要求，并結(jié)合具體工程實(shí)例，對(duì)框架結(jié)構(gòu)與框架剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)、周期比、總質(zhì)量等進(jìn)行了對(duì)比分析，指出了框架剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。

框架剪力墻，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，受力特點(diǎn)，抗震等級(jí)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，公共建筑的需求大大增加，在公共建筑的使用過(guò)程中，框架剪力墻結(jié)構(gòu)既可以像框架結(jié)構(gòu)一樣,根據(jù)使用功能靈活布置房間,開(kāi)拓出較大空間；又可以擁有剪力墻結(jié)構(gòu)剛度大、變形小的優(yōu)勢(shì)而被廣泛的應(yīng)用。本文就框架剪力墻的特點(diǎn)做一下總結(jié)，并通過(guò)一個(gè)工程實(shí)例來(lái)對(duì)框架結(jié)構(gòu)和框架剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行一下簡(jiǎn)單對(duì)比,來(lái)進(jìn)一步闡述框架剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。

1 框架剪力墻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 框架剪力墻的變形特點(diǎn)

在風(fēng)荷載和水平地震力作用下，框架結(jié)構(gòu)以剪切型變形為主，結(jié)構(gòu)下部位移變形大，而上部結(jié)構(gòu)變形相對(duì)較小；剪力墻結(jié)構(gòu)以彎曲型變形為主，結(jié)構(gòu)位移變化與框架結(jié)構(gòu)相反，下部變形小，上部變形大；而框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系通過(guò)平面構(gòu)件(樓板及梁)的連接，在同一樓板處有相同的位移，結(jié)構(gòu)下部變形小的剪力墻對(duì)框架進(jìn)行約束，使框架的下部變形減小；而在結(jié)構(gòu)上部，框架又對(duì)剪力墻提供約束，使剪力墻的側(cè)移變小，這就使得框架剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)移大大減小，變形介于框架和剪力墻之間，上、下層間變形更加均勻，呈彎剪型變形曲線。三種結(jié)構(gòu)體系的變形曲線如圖1所示。

1.2 框架剪力墻的受力特點(diǎn)

框架力墻結(jié)構(gòu)是通過(guò)樓板及梁在平面內(nèi)無(wú)限剛的假定，讓豎向的框架柱以及剪力墻共同來(lái)抵抗水平力和豎向力。根據(jù)其變形特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)的下部，剪力墻位移較小而框架位移較大，剪力墻除了承受大部分水平力外，還承受框架的拉力；而在結(jié)構(gòu)上部，剪力墻的位移越來(lái)越大，而框架的位移變小，框架除了承受水平外荷載外，還額外負(fù)擔(dān)了把剪力拉回來(lái)的附加水平力，所以在頂部框架中也出現(xiàn)相當(dāng)大的剪力。由于框架和剪力墻在整體結(jié)構(gòu)中的協(xié)同工作，框架與剪力墻兩者之間剪力傳遞特別重要，這就要求樓面和屋面的整體性要好，通過(guò)樓面體系來(lái)傳遞剪力。

1.3 框架剪力墻的抗震性能

框架剪力墻結(jié)構(gòu)在小震作用下，水平力主要由剪力墻承擔(dān)；在中震下由兩者共同承擔(dān)；而在大震下具有雙重抗震防線，剪力墻達(dá)到承載力極限開(kāi)裂為第一重防線，剪力墻破壞后，框架可保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及防止結(jié)構(gòu)倒塌為第二重防線；在變形方面，框架具有良好的變形能力，為延性結(jié)構(gòu)，而剪力墻剛度大，延性相對(duì)較弱，將兩者結(jié)合既具有框架良好的延性，又具有剪力墻較好的剛度，是一種非常良好的結(jié)構(gòu)體系。

1.4 框架剪力墻的截面設(shè)計(jì)與構(gòu)造要求

框架剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)具有雙向抗側(cè)力體系，在整個(gè)受力體系中，框架梁柱的截面選取及構(gòu)造要求需滿足純框架的設(shè)計(jì)要求，剪力墻墻體的厚度及構(gòu)造要求需滿足純剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)定。

1)剪力墻的布置原則：“均勻、分散、對(duì)稱、周邊”。

剪力墻應(yīng)優(yōu)先布在建筑物的周邊、樓梯間、電梯間；當(dāng)平面凹凸較大時(shí)，優(yōu)先布在凸出部分的端部附近，且剪力墻布置應(yīng)與各主軸方向的側(cè)向剛度接近；剪力墻宜貫通建筑物的全高，避免剛度突變；剪力墻宜組成L形、T形和槽形等形式，避免采用一字剪力墻，一字剪力墻底部承擔(dān)的水平剪力不應(yīng)該太大，當(dāng)超過(guò)結(jié)構(gòu)底部總水平剪力的40%時(shí)，應(yīng)進(jìn)行調(diào)整，盡可能的使各段墻體受力均勻，使其受力控制在40%以內(nèi)；剪力墻的間距應(yīng)滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》表8.1.8條要求。即房屋縱、橫向區(qū)段較長(zhǎng)時(shí)，縱(橫)向剪力墻不宜集中布置在房屋的兩盡端。

2)抗震等級(jí)的確定。

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,由于建筑物的體型不同、剪力墻的布置數(shù)量及剪力墻的布置位置的不同，在規(guī)定水平力作用下，框架和剪力墻在結(jié)構(gòu)的底層(上部結(jié)構(gòu)的嵌固層)所承受的地震傾覆力矩不同，設(shè)計(jì)中根據(jù)結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩在框架和剪力墻所占的比例來(lái)確定框架剪力墻結(jié)構(gòu)中框架和剪力墻的抗震等級(jí)。因框架剪力墻結(jié)構(gòu)水平地震力主要由剪力墻承擔(dān)，設(shè)計(jì)的理想狀態(tài)應(yīng)該是超過(guò)結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的50%由剪力墻承擔(dān)；當(dāng)結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的50%～90%由剪力墻承擔(dān)時(shí)，此種結(jié)構(gòu)為真正的框架剪力墻結(jié)構(gòu)，框架和剪力墻的抗震等級(jí)按規(guī)范要求的框架剪力墻結(jié)構(gòu)確定；當(dāng)總地震傾覆力矩的90%以上由剪力墻承擔(dān)時(shí)，框架在這種結(jié)構(gòu)體系中受到的水平力已經(jīng)微乎其微，可以忽略不計(jì)，結(jié)構(gòu)體系的受力更接近純剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻的抗震等級(jí)按剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)確定，框架的抗震等級(jí)按規(guī)范要求的框架剪力墻結(jié)構(gòu)確定；當(dāng)剪力墻承擔(dān)小于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的50%時(shí)，隨著剪力墻承受的地震傾覆力矩的逐漸減小，整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的受力逐漸傾向于框架結(jié)構(gòu)；當(dāng)結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的20%～50%由剪力墻來(lái)承擔(dān)時(shí)，此時(shí)的結(jié)構(gòu)高度應(yīng)該控制在框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系規(guī)范所允許的高度與框架結(jié)構(gòu)體系所允許的高度之間，框架的抗震等級(jí)按框架結(jié)構(gòu)選用，剪力墻的抗震等級(jí)按規(guī)范要求的框架剪力墻結(jié)構(gòu)確定；當(dāng)總地震傾覆力矩20%以下由剪力墻來(lái)承擔(dān)時(shí)，此種體系屬于少墻的框架剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)受力同框架結(jié)構(gòu)非常相似，結(jié)構(gòu)高度按框架結(jié)構(gòu)確定，剪力墻的抗震等級(jí)按框架剪力墻結(jié)構(gòu)確定，框架的抗震等級(jí)按規(guī)范要求的純框架結(jié)構(gòu)確定，此種結(jié)構(gòu)體系在實(shí)際工程中不建議采用，若要采用，需與框架剪力墻結(jié)構(gòu)和去掉剪力墻的框架結(jié)構(gòu)符合，框架配筋采用兩種結(jié)構(gòu)體系計(jì)算結(jié)果的較大者。

3)框架總剪力的調(diào)整。

抗震設(shè)計(jì)時(shí)，框架剪力墻結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的各層框架，總剪力的調(diào)整應(yīng)按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第8.1.4條來(lái)調(diào)整。

2 工程實(shí)例(為方便比較采用低層建筑做對(duì)比)

2.1 設(shè)計(jì)條件

本工程為太原市某大學(xué)設(shè)計(jì)使用年限為50年的一教學(xué)樓，地下1層，地上6層，房屋總高度為22.200 m，層高均為3.600 m,室內(nèi)外高差為0.6 m。建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí)，抗震設(shè)防類別為丙類，基本風(fēng)壓：Wo=0.40 kN/m2，基本雪壓：W1=0.35 kN/m2，抗震設(shè)防烈度：8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.2g，地震分組為第1組。地質(zhì)條件良好，建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類，采用天然地基可滿足設(shè)計(jì)要求，地下室頂板可滿足上部結(jié)構(gòu)嵌固要求。為方便比較，兩種結(jié)構(gòu)樓面荷載及梁荷載取值相同，豎向構(gòu)件混凝土均采用C40，梁、板混凝土均采用C30。

2.2 按框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.1.2條規(guī)定，框架剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻的抗震等級(jí)為二級(jí)，框架的抗震等級(jí)為三級(jí)。結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。

剪力墻厚度：1層～3層外側(cè)剪力墻厚度為300，內(nèi)側(cè)剪力墻厚度250；4層～6層剪力墻厚度均為200。

2.3 按框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.1.2條規(guī)定，框架結(jié)構(gòu)框架的抗震等級(jí)為二級(jí)。梁柱的布置方式同框架剪力墻結(jié)構(gòu)。

2.4 兩種結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果

1)構(gòu)件截面對(duì)比(見(jiàn)表1)。

表1 構(gòu)件截面對(duì)比表

由表1可以看出，框架剪力墻結(jié)構(gòu)中柱截面遠(yuǎn)小于框架結(jié)構(gòu)中的柱截面，框架梁也有一定程度的降低，可有效的提高建筑的有效空間。

2)周期比(見(jiàn)表2)。

表2 兩種結(jié)構(gòu)的周期對(duì)比表

由表2可以看出，框架結(jié)構(gòu)的周期要比框架剪力墻的周期長(zhǎng)好多，框架結(jié)構(gòu)更柔。

3)總質(zhì)量(見(jiàn)表3)。

表3 兩種結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量對(duì)比表 t

4)層間位移角(見(jiàn)表4)。

表4 兩種結(jié)構(gòu)的層間位移角對(duì)比表

通過(guò)以上結(jié)果對(duì)比可以看出，在滿足規(guī)范要求的前提下，框架剪力墻結(jié)構(gòu)柱截面可以大大減小，框架梁也可以減小，框架剪力墻體系在空間有效利用方面具有一定的優(yōu)勢(shì)；框架剪力墻的周期更短，層間變形更小。另外在配筋對(duì)比方面，框架剪力墻結(jié)構(gòu)耗鋼量較小。通過(guò)綜合比較，本工程最終采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系，現(xiàn)已投入使用，使用效果良好，得到了業(yè)主及社會(huì)各界的好評(píng)。

3 結(jié)語(yǔ)

框架剪力墻結(jié)構(gòu)由于自身的特點(diǎn)，在公共建筑方面可以很好的滿足建筑使用要求，受到了廣大工程師的廣泛使用。當(dāng)然，每一種結(jié)構(gòu)體系都不是萬(wàn)能的，都有其適用范圍，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)工程的特點(diǎn)，結(jié)合建筑使用及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，經(jīng)多方比較，選用更合理、更經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)體系。

[1] GB 50010—2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] JGJ 3—2010,高層混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

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

On structural features of frame-shear wall and its application in projects

Zhang Junwen

(ShanxiArchitecturalDesignInstitute,Taiyuan030013,China)

The paper introduces the deformation features, stressed characteristics, section design and component requirements of the frame-shear walls, combining with project example, compares and analyzes the seismic grades, period ratio, and gross mass between the framework and frame-shear wall structures, and points out the advantages of the latter.

frame-shear wall, structural feature, stressed features, seismic grade

2015-05-25

張俊文(1978- ),男,工程師

1009-6825(2015)22-0044-02

TU398.2

A