高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計研究

張正

1.高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計特點

1.1 變形協(xié)調(diào)

在高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻與框架作為相對獨立的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，二者變形性質(zhì)與特性存在明顯差異，可能會出現(xiàn)單獨變形現(xiàn)象，無法取得預(yù)期整體結(jié)構(gòu)變形、協(xié)同抵抗水平荷載的設(shè)計效果，這也是框剪結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)特征的具體表現(xiàn)[1]。同時，上部剪力墻位移量較大，下部剪力墻位移量較小，當(dāng)剪力墻位移量超過一定標(biāo)準(zhǔn)時，框架結(jié)構(gòu)頂部與剪力墻將會以剪切型曲線形式進(jìn)行變形。因此，在高層框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)，設(shè)計人員必須考慮這一問題，根據(jù)工程情況在框剪結(jié)構(gòu)中設(shè)置良好的平衡點，對框架與剪力墻抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受力變形情況進(jìn)行中和處理。例如，在將高層建筑樓板水平剛度控制在一定界限時，可以對框架與剪力墻抗側(cè)力結(jié)構(gòu)起到關(guān)系溶解作用，避免產(chǎn)生單獨變形現(xiàn)象。

1.2 受力狀態(tài)

傳統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)會隨著位移量增加而產(chǎn)生形變減慢現(xiàn)象，以開口型曲線進(jìn)行變形，歸屬于剪切型形變曲線。剪力墻結(jié)構(gòu)變形曲線與懸臂梁彎曲線高度相似，結(jié)構(gòu)位移量與變形速度保持正比關(guān)系，位移量越大、變形速度越大，結(jié)構(gòu)水平方向受力受到剛度值影響加以等效分配。

框架剪力墻結(jié)構(gòu)通過樓蓋等部件將相對獨立的框架與剪力墻結(jié)構(gòu)連接為整體性受力結(jié)構(gòu)，共同對高層建筑的水平荷載進(jìn)行承擔(dān)，有效解決了結(jié)構(gòu)受到彎曲/剪切變形單獨影響的問題，可以對建筑各樓層結(jié)構(gòu)位移量進(jìn)行有效控制。在水平范圍內(nèi)，框剪結(jié)構(gòu)變形曲線為反S型，下部剪力墻的形變量較小，并承擔(dān)高層建筑絕大多數(shù)的水平向剪力。與之相比，上部框架結(jié)構(gòu)形變較小，主要負(fù)責(zé)承受高層建筑水平剪切力，最終起到協(xié)調(diào)建筑水平形變、抑制結(jié)構(gòu)性形變的作用，形成上下受力均勻的受力結(jié)構(gòu)。

2.高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計措施

2.1 機(jī)構(gòu)控制

在高層框剪結(jié)構(gòu)施工、使用期間，剪力墻數(shù)量、體積與剛度三者保持正比關(guān)系，建筑結(jié)構(gòu)中布置的剪力墻數(shù)量越多，則剪力墻體積越大、剛度越大，并對框剪結(jié)構(gòu)的承載性能造成影響，削弱了框剪結(jié)構(gòu)形態(tài)控制力度。因此，在高層框架剪力墻抗震設(shè)計方案中，往往選擇采取機(jī)構(gòu)控制設(shè)計措施，根據(jù)工程情況推算正比例公式，在框剪結(jié)構(gòu)中的適當(dāng)部位安裝若干“塑性鉸”裝置。如此，在高層建筑遭受地震能量沖擊時，可以在框架剪力墻結(jié)構(gòu)中形成耗能機(jī)構(gòu)，持續(xù)對地震能量進(jìn)行吸收、損耗，這將在客觀層面上改善高層框剪結(jié)構(gòu)的抗震性能。

2.2 改善剪力墻抗震性能

2.2.1 合理設(shè)定肢墻面積

現(xiàn)階段，多采取調(diào)整肢墻面積的方式來改善抗震性能。其抗震原理為，在不影響建筑使用功能、框剪結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性能的前提下，適當(dāng)縮小肢墻面積，將肢墻結(jié)構(gòu)形式調(diào)整為雙肢墻、多肢墻，在結(jié)構(gòu)洞口連梁與豎向施工縫部位中形成穩(wěn)定的耗能機(jī)構(gòu)。這樣既可以持續(xù)對結(jié)構(gòu)裂縫與屈服部位進(jìn)行有效控制，而當(dāng)高層框剪結(jié)構(gòu)遭受地震能量沖擊時，也可以通過耗能機(jī)構(gòu)吸收地震能量、降低剪力墻剛度的方式，預(yù)防高層建筑底部墻體過早屈服及剪切破壞等問題的出現(xiàn)。

2.2.2 增設(shè)梁柱結(jié)構(gòu)

高層設(shè)計在不影響建筑使用功能正常發(fā)揮前提下，可選擇于剪力墻周邊區(qū)域中額外設(shè)置梁柱結(jié)構(gòu)，從而形成邊框剪力墻，抑制斜向裂縫向鄰近建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)散延展。而在出現(xiàn)地震災(zāi)害或是建筑剪力墻結(jié)構(gòu)遭受破壞時，邊框剪力墻可以臨時性替代剪力墻結(jié)構(gòu)的承載性能、有效抵抗所承受的附加剪應(yīng)力。在采取這項設(shè)計措施時，設(shè)計人員必須確保額外設(shè)置的梁柱結(jié)構(gòu)具有良好的斜截面承載性能，才能取得良好的設(shè)計效果。

2.2.3 遵循分散布置原則

在設(shè)計高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)時，設(shè)計人員必須嚴(yán)格遵循分散設(shè)計的原則，考慮到剪力墻數(shù)量、面積、尺寸與剛度之間的關(guān)聯(lián)影響，需要進(jìn)行分散布置，保持相鄰剪力墻構(gòu)件的安全間隔距離，合理設(shè)定剪力墻連續(xù)尺寸、設(shè)置若干數(shù)量的抗側(cè)力構(gòu)件。如此，在高層建筑結(jié)構(gòu)中布置大量剪力墻的條件下，可以將剪力墻剛度、彎度控制在合理范圍內(nèi)，并改善剪力墻結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)性能。例如，在條件允許前提下，設(shè)計人員盡可量在各樓層角落、不規(guī)則角、拐角等位置設(shè)置剪力墻。這樣，既可以將墻體進(jìn)行分散布置，也可以對高層建筑結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行加強(qiáng)處理。

2.3 改善框架抗震抗力性能

2.3.1 強(qiáng)化角柱

在高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)中，角柱作為一種重要構(gòu)件，以及框架結(jié)構(gòu)主要組成部分，起到連接橫向框架與縱向框架結(jié)構(gòu)的作用，角柱抗剪性能直接影響到框架結(jié)構(gòu)整體性能，也將對高層框剪結(jié)構(gòu)的抗震性能造成影響。因此，設(shè)計人員可選擇對角柱進(jìn)行強(qiáng)化處理，重點改善角柱抗剪性能，這將在客觀層面上提高高層框剪結(jié)構(gòu)抗震性能、消除抗震薄弱環(huán)節(jié)。

2.3.2 布置鋼筋混凝土剪力墻板

在早期高層建筑工程中，普遍產(chǎn)生框架剪力滯后現(xiàn)象，且高層穩(wěn)定性能與抵抗力剛度較差，在高層建筑遭受地震能量沖擊時，易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)側(cè)向過度位移現(xiàn)象，產(chǎn)生安全隱患[2]。針對這一問題，可選擇在高層布置若干數(shù)量鋼筋混凝土剪力墻板構(gòu)件，即可有效解決框架結(jié)構(gòu)剪力滯后問題，有效改善結(jié)構(gòu)抵抗剛度與整體性能，抑制高層框剪結(jié)構(gòu)側(cè)向位移，往往選擇將鋼筋混凝土剪力墻板以X型或K型進(jìn)行布置。但是，在采取這項設(shè)計措施時，所布置鋼筋混凝土剪力墻板結(jié)構(gòu)的延性有所不足，可選擇在墻板上預(yù)留十字開口，將其作為結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)，這將起到改善鋼筋混凝土剪力墻板延性、形成耗能墻板的作用，減小地震能量對高層框剪結(jié)構(gòu)造成的沖擊破壞影響。

2.3.3 設(shè)置贅余構(gòu)件

考慮到高層框剪結(jié)構(gòu)在遭受地震能量沖擊作用時易產(chǎn)生共振效應(yīng)，對建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成破壞，可選擇在高層框剪結(jié)構(gòu)中設(shè)置若干數(shù)量的贅余構(gòu)件，如偏交斜撐構(gòu)件，由原有軸邊耗能方式切換為彎曲耗能方式，往往以鋼桿為原材料制作偏心連接支撐件、以鋼纖維混凝土為原材料制作折曲支撐件。在出現(xiàn)地震災(zāi)害時，所設(shè)置的贅余構(gòu)件可以起到誘發(fā)建筑自振周期改變、預(yù)防共振效應(yīng)產(chǎn)生、通過先行屈服消耗地震能量的多重作用。

2.4 改善整體抗震性能

2.4.1 獲取總體屈服效果

這項設(shè)計措施指，在高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)中的適當(dāng)位置中安裝若干數(shù)量“塑性鉸”構(gòu)件，根據(jù)工程情況合理設(shè)定塑性鉸構(gòu)件的安裝位置、次序，通過塑性鉸來增強(qiáng)高層框剪結(jié)構(gòu)形變控制力，獲取總體屈服效果。在出現(xiàn)地震災(zāi)害后，塑性鉸將形成耗能機(jī)構(gòu)，受到水平向力影響使得水平構(gòu)件與豎向構(gòu)件依次屈服。

2.4.2 保持剛度延性統(tǒng)一

框架與剪力墻結(jié)構(gòu)性能參數(shù)存在明顯差異，如延性系數(shù)、剛度值等，這一問題的存在加大了設(shè)計工作量，需針對各項參數(shù)不斷進(jìn)行改進(jìn)。在出現(xiàn)地震災(zāi)害時，建筑各構(gòu)件難以穩(wěn)定保持協(xié)調(diào)狀態(tài)，易出現(xiàn)先后破壞現(xiàn)象、形成抗震薄弱環(huán)節(jié)。因此，高層框剪結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計重心在于，通過綜合采取各項設(shè)計措施，將框架與剪力墻結(jié)構(gòu)延性剛度保持統(tǒng)一狀態(tài)[3]。

2.4.3 平衡結(jié)構(gòu)剛度與承載性能

在高層框剪結(jié)構(gòu)中，剪力墻數(shù)量、體積、剛度三者保持正比關(guān)系，剪力墻數(shù)量越多、剛度與體積越大，以此為誘因?qū)е赂邔咏ㄖY(jié)構(gòu)自振周期變小，加大了地震能量對整個物體的破壞作用，危害極大。因此，在制定高層框架剪力墻設(shè)計方案時，應(yīng)重點考慮這一問題，綜合分析工程信息，在滿足工程使用需求、設(shè)計要求的前提下，將剪力墻數(shù)量與剛度控制在合理范圍內(nèi)。

2.5 框架及抗震端設(shè)計要點

在框架設(shè)計環(huán)節(jié)，對相關(guān)工程信息進(jìn)行綜合分析，如連梁跨高比、剛度與縱面墻長度，在其基礎(chǔ)上準(zhǔn)確評估框架設(shè)計性。同時，在建筑墻體遭受地震能量影響時產(chǎn)生較大剪切變形量時，應(yīng)將長墻體分為若干節(jié)段，將墻體高度控制為墻寬2倍左右，在兩端設(shè)置邊緣約束裝置，以此起到抑制剪切變形量、預(yù)防剪切破壞問題出現(xiàn)的作用。在抗震端設(shè)計環(huán)節(jié)，將抗震端與框肢墻二者的截面高度差值控制在較小范圍內(nèi)，并對抗震端底部情況進(jìn)行檢查評估。如若抗震端底部存在漏洞，可選擇使用高強(qiáng)度混凝土對漏洞進(jìn)行修補(bǔ)處理，禁止空開漏洞[4]。

3.結(jié)語

綜上所述，框架剪力墻結(jié)構(gòu)具有良好的互補(bǔ)性，兼容了多種性能優(yōu)勢，在工程中展現(xiàn)廣闊的應(yīng)用空間。設(shè)計人員必須遵循剪力墻分散布置等要求，全面把握各處設(shè)計節(jié)點，積極貫徹落實科學(xué)的防震抗震技術(shù)措施，進(jìn)一步消除各處抗震薄弱環(huán)節(jié)，發(fā)揮其優(yōu)勢作用。