關(guān)于框架加少量剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的探討

文/崔海濤 北京維拓時(shí)代股份有限公司 北京 100123

1、關(guān)于框架加少量剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)問(wèn)題的研究意義

自我國(guó)新規(guī)范實(shí)施以來(lái)，我們?cè)谑┕D審查工作中常常會(huì)遇到下述問(wèn)題，即框架結(jié)構(gòu)布置會(huì)存在少量剪力墻結(jié)構(gòu)的情況，而我們往往未對(duì)這部分剪力墻結(jié)構(gòu)做出明確規(guī)定，導(dǎo)致頻頻出現(xiàn)隱患問(wèn)題。究其原因，主要是因?yàn)槟承┘兛蚣茉诳拐鹩?jì)算過(guò)程中，層間位移角在限值規(guī)定方面，并未滿足1/550的規(guī)定要求[1]。或者純框架結(jié)構(gòu)在抗震計(jì)算過(guò)程中，部分抗扭指標(biāo)無(wú)法滿足相關(guān)要求，又或者是扭轉(zhuǎn)周期比往往超過(guò)預(yù)期限定的數(shù)值，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度未達(dá)到預(yù)期要求。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，部分施工人員針對(duì)這一情況，會(huì)故意將樓梯或者電梯中的混凝土筒設(shè)置成為加少量剪力墻結(jié)構(gòu)的情況，以期可以盡量滿足預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。

一般來(lái)說(shuō)，加少量剪力墻的框架結(jié)構(gòu)形式多可歸類(lèi)為多層建筑形式，很少會(huì)有高度超過(guò)規(guī)定數(shù)值的高層建筑形式。舉例而言，某城市世貿(mào)商城項(xiàng)目，建筑總長(zhǎng)397m、寬117m、高32m。在建筑形式上，為地上6層、地下2層。介于該建筑高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)28m(規(guī)定值)，整體上可以歸類(lèi)為高層建筑。工程抗震設(shè)防烈度為8度，純框架結(jié)構(gòu)形式[2]。為解決純框架計(jì)算層間位移不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題，工程人員選擇利用加少量剪力墻結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行合理解決。又比如某市社區(qū)中心工程為單跨多層純框架結(jié)構(gòu)形式，抗震設(shè)防烈度與上述相等。經(jīng)過(guò)多次修改與整頓，仍無(wú)法滿足抗震計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。在無(wú)法增加柱子截面的前提下，工程人員選擇在樓梯間處增加少量剪力墻結(jié)構(gòu)，目的在于及時(shí)滿足層間位移要求。

2、關(guān)于框架加少量剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)問(wèn)題的相關(guān)規(guī)范與建議

針對(duì)框架加少量剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)問(wèn)題，我國(guó)在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB-50011-2001》中并無(wú)明確表示。只是在高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程中，簡(jiǎn)明扼要地提出在進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)該重點(diǎn)考慮剪力墻與框架之間的協(xié)同關(guān)系，避免出現(xiàn)隱患問(wèn)題[3]。并明確提出對(duì)于剪力墻對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大剛度偏心作用的時(shí)候，可以采取適當(dāng)?shù)拇胧┘右越鉀Q，如采取開(kāi)洞等措施，目的在于降低剪力墻的作用效果。與此同時(shí)，適當(dāng)增加與剪力墻之間相連接的柱子配筋數(shù)量。然而，這種方法治標(biāo)不治本，對(duì)于層間位移角的控制問(wèn)題并無(wú)明顯效果，也并無(wú)明確規(guī)定或者比例，確定層間位移角的控制問(wèn)題。

一般來(lái)說(shuō)，剪力墻結(jié)構(gòu)所承受的地震傾覆力矩應(yīng)該嚴(yán)格控制在規(guī)定范圍當(dāng)中。倘若超出預(yù)期范圍，剪力墻結(jié)構(gòu)的受力特征、變形特征也會(huì)隨之變化。以往規(guī)定在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)方面，并無(wú)明確限定，只是要求剪力墻結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的地震傾覆力矩應(yīng)該超過(guò)總地震傾覆力矩的一半[4]。根據(jù)實(shí)際情況來(lái)看，設(shè)計(jì)的剪力墻結(jié)構(gòu)在能夠承擔(dān)總地震傾覆力矩的一半以上時(shí)，受力特征會(huì)相應(yīng)減弱。如果剪力墻結(jié)構(gòu)的受力特征進(jìn)一步降低，其所承擔(dān)的地震傾覆力矩會(huì)逐漸遞減，從50%逐漸遞減，此時(shí)框架受力特征會(huì)明顯增強(qiáng)。當(dāng)接近0時(shí)，基本上變換為純框架受力特性。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展與實(shí)踐，我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011-2010）》針對(duì)少量剪力墻框架結(jié)構(gòu)問(wèn)題做出了相關(guān)表述。條款中明確指出少量剪力墻框架結(jié)構(gòu)中的剪力墻抗震設(shè)計(jì)問(wèn)題，與框架-剪力墻抗震構(gòu)造措施存在顯著區(qū)別，不可同一而論[5]。相關(guān)研究學(xué)者也明確指出，少量剪力墻框架結(jié)構(gòu)中的剪力墻抗震等級(jí)問(wèn)題可以根據(jù)工程實(shí)際情況，選擇合適的框架抗震等級(jí)。即便是突遇強(qiáng)烈地震問(wèn)題的時(shí)候，剪力墻結(jié)構(gòu)雖受到剛度退化的影響，但是介于框架結(jié)構(gòu)與剪力墻結(jié)構(gòu)之間的既定關(guān)系，如塑性?xún)?nèi)力重分布關(guān)系，框架結(jié)構(gòu)會(huì)充當(dāng)抗側(cè)力構(gòu)件的作用，承擔(dān)地震帶來(lái)的不良影響。

3、關(guān)于框架加少量剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)問(wèn)題的實(shí)踐應(yīng)用分析

3.1 基本要求

一般來(lái)說(shuō)，設(shè)置少量剪力墻并未從本質(zhì)上改變以往的結(jié)構(gòu)形式，在某些方面仍屬于少量剪力墻框架結(jié)構(gòu)形式，只不過(guò)要比普通的特殊一些。我國(guó)研究人員針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了多年研究，研究表明：框架結(jié)構(gòu)布置少量剪力墻結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)必須作為結(jié)構(gòu)主體部分。不管是在豎向荷載，還是抗側(cè)剛度方面，均占據(jù)主導(dǎo)位置。介于剪力墻量較少的影響，且也不屬于抗側(cè)力結(jié)構(gòu)部分，當(dāng)受到地震影響較小的時(shí)候，剪力墻可以承擔(dān)輔助性作用，為框架結(jié)構(gòu)提供彈性剛度。

如此一來(lái)，設(shè)置的少量剪力墻框架結(jié)構(gòu)能夠有效滿足規(guī)范要求，比如框架結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角要求，或者是位移比要求。需要注意的是，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)該利用剛度分配原則，確保剪力墻結(jié)構(gòu)的塑性效果。即便是出現(xiàn)明顯裂縫或者剛度退化問(wèn)題，也會(huì)因?yàn)榧袅Y(jié)構(gòu)的剛度特點(diǎn)，承擔(dān)一定的抗震作用，避免出現(xiàn)嚴(yán)重的隱患問(wèn)題。與此同時(shí)，工程人員需要立足于工程實(shí)際情況進(jìn)行合理設(shè)置，確保框架加少量剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的合理性[6]。

3.2 基本原則

根據(jù)上述規(guī)定要求可知，布置少量剪力墻結(jié)構(gòu)并未改變?cè)瓉?lái)的結(jié)構(gòu)體系內(nèi)容，整體上還是屬于框架結(jié)構(gòu)形式。但是與普通純框架結(jié)構(gòu)形式明顯不同，屬于一種特殊的框架結(jié)構(gòu)形式。區(qū)別在于框架為結(jié)構(gòu)主導(dǎo)，承受豎向荷載作用力與抗側(cè)力。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，工程人員應(yīng)該盡量滿足框架結(jié)構(gòu)的位移限值，目的在于確保結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的側(cè)向力準(zhǔn)確無(wú)誤。在結(jié)構(gòu)分析過(guò)程中，除了按照既定的計(jì)算要求進(jìn)行分析之外，設(shè)計(jì)過(guò)程應(yīng)該根據(jù)承載力要求、彈性變形限值要求等內(nèi)容，進(jìn)行合理分析，與此同時(shí)，盡量根據(jù)遵守框架結(jié)構(gòu)與剪力墻結(jié)構(gòu)協(xié)同要求，進(jìn)行反復(fù)計(jì)算，并實(shí)行合理的包絡(luò)設(shè)計(jì)方案。

3.3 工程實(shí)例與應(yīng)用分析

文章以某辦公樓為框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。該辦公樓主要設(shè)立5層，結(jié)構(gòu)高度約為23.6m左右，抗震設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi)、抗震設(shè)防烈度為7度。在地震分組的設(shè)計(jì)方面為三類(lèi)場(chǎng)地，具有一層結(jié)構(gòu)與二層結(jié)構(gòu)。在對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，相關(guān)人員提出兩種方案進(jìn)行合理比較。方案一：一層結(jié)構(gòu)與二層結(jié)構(gòu)布置普通框架梁柱；方案二：一層與二層的1軸、7軸樓梯間位置，布置少量剪力墻結(jié)構(gòu)，其余部分和方案一相同[7]。

需要注意的是，方案一與方案二均以PKPM方式為主要電算方式。經(jīng)過(guò)電算之后，工程人員得出基于不同工況下，層間位移角的計(jì)算結(jié)果。根據(jù)不同工況下層間位移與平均層間位移的計(jì)算結(jié)果，可以確定最大層間位移角。經(jīng)過(guò)反復(fù)比較之后，增設(shè)剪力墻結(jié)構(gòu)，最大層間位移角發(fā)生一定程度的降低，約為6%。調(diào)查原因，發(fā)現(xiàn)由于設(shè)置少量剪力墻結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)整體的抗側(cè)剛度明顯加強(qiáng)，且自身的抗震性能也得到明顯加強(qiáng)，使得最大層間位移角明顯減少。

而純框架方案與少量剪力墻框架方案相比而言，最大層間位移與平均層間位移之間的比值存在明顯不同。經(jīng)過(guò)反復(fù)對(duì)比，設(shè)置少量剪力墻之后，最大位移比降低了近9%以上。一般來(lái)說(shuō)，位移比與扭轉(zhuǎn)效應(yīng)之間存在明顯既定關(guān)系，結(jié)構(gòu)實(shí)際存在的扭轉(zhuǎn)量經(jīng)過(guò)少量剪力墻的作用，發(fā)生明顯降低。再加上該工程屬于長(zhǎng)寬均比較大的長(zhǎng)方形平面結(jié)構(gòu)，如果長(zhǎng)寬比超過(guò)預(yù)定范圍時(shí)，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)會(huì)發(fā)生明顯變化[8]。

由此可以看出，工程采用純框架結(jié)構(gòu)不符合規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)的抗震性能會(huì)明顯降低。且經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)驗(yàn)可知，在與該工程類(lèi)似的工程當(dāng)中，通過(guò)采用框架加少量剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法，會(huì)明顯加強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)整體的抗震性能，規(guī)避純框架抗震性能不足的情況。需要注意的是，相關(guān)人員在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，必須立足于本工程實(shí)際情況，選擇合理的抗震設(shè)計(jì)方案進(jìn)行運(yùn)用，不可照搬照抄，盡量防止因設(shè)計(jì)不合理而造成的不良問(wèn)題。

3.4 配筋比較問(wèn)題

以該工程第二層為例，針對(duì)方案二中剪力墻周邊配筋結(jié)果，與方案一配筋結(jié)果進(jìn)行綜合比較，目的在于闡明二者之間的配筋比較問(wèn)題。方案一的第二層混凝土構(gòu)件在局部配筋問(wèn)題方面，在設(shè)置剪力墻結(jié)構(gòu)之后，剪力墻附件的框架柱在平面方向的配筋數(shù)量發(fā)生明顯降低。出現(xiàn)這一問(wèn)題的主要原因在于剪力墻自身平面具備的剛度較高，水平力要比一般情況大得多[9]。

綜合比較兩個(gè)方案的梁配筋數(shù)量問(wèn)題，不難發(fā)現(xiàn)梁配筋變化規(guī)律存在一定的特定性，大體上與柱配筋變化規(guī)律差不多。根據(jù)這種兩種方案配筋數(shù)量的不同，基本上也從側(cè)面反映出少量剪力墻框架結(jié)構(gòu)與純框架結(jié)構(gòu)在性能方面存在明顯不同，必須針對(duì)具體情況進(jìn)行分別計(jì)算，尤其是要重點(diǎn)設(shè)計(jì)包絡(luò)計(jì)算方案，目的在于進(jìn)一步提高框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用性能，防止出現(xiàn)隱患問(wèn)題。

3.5 優(yōu)化措施

為進(jìn)一步確保框架加少量剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方案的合理性與科學(xué)性，我們需要明確少量剪力墻定量的設(shè)計(jì)原則。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須以框架柱的地震傾覆彎矩比作為控制原點(diǎn)，根據(jù)框架到框架剪力墻的轉(zhuǎn)變情況，及時(shí)分析并明確剪力墻具體設(shè)置數(shù)量以及控制要點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，這并不是一個(gè)突變的過(guò)程，而是經(jīng)過(guò)工程人員反復(fù)測(cè)量與計(jì)算得出的結(jié)果，必須加以嚴(yán)格把控，防止出現(xiàn)質(zhì)量隱患問(wèn)題[10]。

與此同時(shí)，布置少量剪力墻框架結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，應(yīng)該按照純框架與框架-剪力墻結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行分別測(cè)量與計(jì)算，并實(shí)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，目的在于進(jìn)一步確保建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量安全，避免出現(xiàn)嚴(yán)重的隱患問(wèn)題。需要注意的是，這種體系一般多適用于高度較大的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理提高，但是不得超過(guò)框架與框架-剪力墻兩者之間的高度差值，且抗震等級(jí)需要按照規(guī)定要求進(jìn)行合理改善。如此一來(lái)，少量剪力墻框架結(jié)構(gòu)的性能勢(shì)必會(huì)得到進(jìn)一步提升與加強(qiáng)。

除此之外，在少量剪力墻框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面，應(yīng)該嚴(yán)格按照框架與剪力墻協(xié)同工作原則，做好全包絡(luò)設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，這種方案比較可取。對(duì)于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)計(jì)算問(wèn)題，應(yīng)該嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行合理分析與確定，主要確定配筋數(shù)量。如果剪力墻在滿足強(qiáng)剪弱彎的基礎(chǔ)下，可以按照截面最大配筋率進(jìn)行合理計(jì)算。這樣做的主要目的在于嚴(yán)加控制好框架結(jié)構(gòu)中的彈性位移距離與相關(guān)數(shù)值，確保剪力墻的承載力得以發(fā)揮，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的應(yīng)用價(jià)值。

結(jié)論：

根據(jù)文章的相關(guān)概述可知，在實(shí)際工程當(dāng)中，通過(guò)運(yùn)用少量剪力墻框架結(jié)構(gòu)概念完成抗震設(shè)計(jì)方案，基本上可以有效掌握結(jié)構(gòu)體系性能問(wèn)題與結(jié)構(gòu)布置問(wèn)題。本人在分析工程實(shí)例的過(guò)程中，得出如下結(jié)論：

（1）少量剪力墻框架結(jié)構(gòu)分析計(jì)算過(guò)程中，我們不僅需要考慮剪力墻結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)之間的協(xié)同性，還需要考慮按照純框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，并結(jié)合上述兩種情況，得出包絡(luò)值，完成配筋設(shè)計(jì)方案。

（2）對(duì)于加少量剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)問(wèn)題，建議相關(guān)人員必須在合適的位置進(jìn)行設(shè)置，如樓電梯等位置，適當(dāng)設(shè)置少量剪力墻框架混凝土構(gòu)件，并按照?qǐng)D紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，確保局部配筋的合理性。目的在于及時(shí)提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，優(yōu)化結(jié)構(gòu)整體的抗震性能。

（3）對(duì)于今后少量剪力墻框架結(jié)構(gòu)的研究方向，建議有關(guān)人員可以針對(duì)剪力墻框架結(jié)構(gòu)層間位移角與剛度之間的關(guān)系進(jìn)行合理分析，并將其合理運(yùn)用到結(jié)構(gòu)當(dāng)中，完成分析工作。