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  • 多層建筑剪力墻框架結構設計探討

    2022-05-07 版權聲明 舉報文章

    摘要:框架結構是公共建筑常采用的結構形式,在高烈度地區往往因剛度不足導致層間位移角和扭轉位移比難以滿足規范要求?,F結合某綜合商場模型,在角部設置少量剪力墻形成少墻框架結構,以彌補純框架結構的不足。同時,結合以往學者闡述的少墻框架的設計原則,通過對比純框架體系和少墻框架的抗震性能和經濟指標,探究其工程應用的可行性。

    關鍵詞:少墻框架;高烈度;設計原則;抗震指標;經濟指標

    1概述

    目前在建的住宅、辦公樓、宿舍、學校教學樓、大型綜合體等建筑物中,大多采用多層框架結構體系。在抗震設防烈度為6度地區的多層鋼筋混凝土框架結構的截面設計主要由軸壓比決定,而在7度(Ⅲ類場地)或8度地區主要是由層間位移角控制。結構設計要滿足位移角要求只有提高材料強度,加大梁柱截面尺寸,而過大的梁柱截面尺寸除給建筑使用帶來不便,更直接的是“高梁寬柱”給建設單位造成設計保守、浪費的印象,甚至對設計單位的聲譽和后續項目的合作也造成了一定的影響。剪力墻構件本身側向剛度較大,能有效抵抗結構水平力,在水平力作用下側向變形很小。高烈度的框架結構中設置少量的剪力墻,組成少墻框架結構,在純框架結構體系無法滿足規范對位移控制要求時,充分發揮剪力墻的側向剛度,減少水平位移,改善框架的抗扭轉性能,從而在不加大梁柱截面尺寸情況下滿足規范要求,也符合建設單位經濟、安全的設計需求;但是,目前對于少墻框架的設計原則并不明確,在實際工程當中的應用甚少。在少墻框架設計中,層間位移角的限值未有明確規定,《建筑抗震設計規范(GB50011—2010)》6.1.3條條文說明提出:框架結構布置的少量剪力墻需按框架部分承擔傾覆力矩的多少來確定層間位移角限值,其限值按框架的1/550和框架-剪力墻的1/800兩者之間偏于安全內插[1]。有學者經過模型分析發現,底層剪力墻部分承擔的地震傾覆力矩隨墻肢的增長而增大,相應層間位移角雖減小但是減小幅度并不明顯,按線性內插來分級控制層間位移角很難滿足[2]。同時朱炳寅提出,少墻框架的層間位移角仍可按1/550限制[3],而此限值也對剪力墻的數量也做出了新的要求。剪力墻和框架存在協同作用,剪力墻布置過多會使其承擔更大的地震抗傾覆力矩,往往會造成剪力墻超筋,如果按框架-剪力墻進行包絡設計,會使少量的剪力墻承擔第一道抗震防線的任務[3?4]。程熙等人[5]提出,可以允許剪力墻出現一定的開裂,隨層間位移角的增加,其抗側剛度出現一定的退化,各樓層的最大層間位移角限值仍應滿足框架結構的最小限值,并因此判斷少墻框架結構體系仍屬于框架結構體系。結合以往學者的工程實例研究[6?8],少墻框架可以有效減小結構側向位移,提高結構的抗扭性能。楊樹標等人[9]認為多層框架結構體系的破壞主要是由其中的框架部分引起的,通過分析不同地震程度下結構層間位移角以及塑性鉸的變化情況,發現少墻框架體系的抗震效果明顯優于純框架結構體系。本文通過對已有研究的理解與分析,結合工程實例來探討少墻框架結構在工程實際中的應用。

    2少墻框架結構的設計原則

    2.1剪力墻布置的數量和肢長

    剪力墻沿建筑物的全高設置,否則會引起建筑豎向的剛度突變。在反復的試算過程中要把握住“少數”的定義,若剪力墻布置太少,則難以發揮剪力墻的結構特性,沒有達到設置剪力墻的目的;若布置太多,則違背了少墻框架設置的初衷,結構體系不夠明確。為了使少量剪力墻不處于“第一道防線”地位,需對其抗傾覆力矩占比作出要求,本文以高規[10]8.1.3規定的框架承受大于80%地震傾覆彎矩作為少墻標準。關于剪力墻肢長要求,有學者[6?7]考慮剪力墻設置過長會使剪力墻部分吸收的地震能量過多,均將剪力墻設為短肢剪力墻。但是短肢剪力墻存在反彎點,會減弱在框架中對層間位移角的控制。本文考慮到布墻位置使用功能不做肢長要求。

    2.2剪力墻布置位置

    框架結構多用于公建,如果將剪力墻布置在結構中部,往往難以選擇合理落點,同時剪力墻布置在結構內部會增加內部剛度而不利于抗扭。有學者經驗證提出,中部布置少量剪力墻可能會對結構體系的振動產生不利影響[7]??蚣芙Y構側向位移最大的部位均出現在角部,且考慮到加強結構剛度、弱化內部剛度利于周期比的調控,本文將剪力墻布置在框架角部,形成帶邊框剪力墻,并在兩主軸方向雙向布置。此時剪力墻構造上要考慮與周邊構件的連接,便于其損壞后修補。

    2.3剪力墻的配筋

    對于框架抗傾覆力矩占比大于80%的少墻框架,框架的抗震等級按純框架結構確定;剪力墻抗震等級可與其框架部分抗震等級相同。朱炳寅提出,將結構分別進行純框架結構和框架-剪力墻結構計算,取兩者較大值進行框架部分的配筋,即包絡設計,剪力墻不考慮計算結果,按構造配筋設計[3]。此做法考慮了框架-剪力墻的協同作用,也兼顧了少量剪力墻是用于調節位移角的本質。也有學者提出,先對框架結構進行建模計算(按純框架結構計算),使承載力滿足要求而位移角不做控制,獲得框架的截面和配筋,而后布置剪力墻控制位移角,配筋按構造配筋設置[12]。這一設計做法將框架和剪力墻完全分割,充分體現了剪力墻取用只是用于提高結構整體剛度、控制層間位移角,不起“第一防線”作用。同時,這兩種配筋設計中,剪力墻的做法均會使結構的剪力墻部分在罕遇地震作用時退出工作。本文選取前者做法進行設計計算,建立了三種類型框架結構體系:①框架結構1(純框架體系)、②少墻框架、③框架結構2(將少墻框架中的剪力墻刪除,并將墻體自重以線荷載形式加到框架結構上),并對①②結構形式進行抗震指標和經濟指標的對比分析,③用于驗證大震下②結構的彈塑性位移角限值以及小震時框架包絡設計的配筋驗算。

    3工程概況

    本工程為一綜合商場,商場由4個單體組成,單體尺寸154m×130m。地下1層,層高5.1m;地上4層,首層層高5.7m,2~4層層高5.2m,大部分柱網間距為9m×10m。本工程抗震設防烈度為7度(0.15g),乙類建筑,場地類別為Ⅲ類場地,地面粗糙度為B類,基本風壓為0.45kN/m2。結構設計時增設了抗震縫,本文以抗震縫左側單體為例??蚣芎图袅Φ目拐鸬燃壘鶠槎?,結構分析時,先建立純框架結構體系作為基礎模型,保證其梁柱滿足承載力要求,層間位移角暫不作控制,而后作如下處理:1)在基礎模型上加大梁柱截面使其位移角滿足規范要求,并取得截面和配筋,構成框架結構1。2)在基礎模型上布置剪力墻控制層間位移角,將結構分別進行純框架結構和框架-剪力墻結構計算,配筋按包絡設計確定,構成少墻框架。3)將構成的少墻框架體系中的剪力墻以線荷載形式施加于梁柱上,以確定其大震下的位移角,構成框架結構2。最終的剪力墻配筋均按構造配置。剪力墻均布置在各區域角部,墻厚?。玻埃埃恚?,X向墻長1400mm,Y向墻長1550mm,墻體布置見圖1。

    4計算分析

    采用YJK建模分析,模型具體信息見表1.由表可知少墻框架結構的梁柱截面小于純框架結構的設計尺寸,基本滿足建筑專業對建筑物室內空間的使用要求。少墻框架模型中框架的X、Y向所占地震傾覆力矩分別為81.9%和80.7%,均大于80%,滿足本文少墻標準。通過基礎模型和少墻框架對比,可以發現少量剪力墻的設置有效減小了結構的層間位移角,滿足了1/550的限值要求,見表2。同時,在框架結構1和少墻框架的層間位移角相差很小的情況下,少墻框架的周期比降低明顯,充分發揮了其抗扭轉性能,進一步說明本文少量剪力墻的布置具有一定的合理性。通過對大震下框架結構2的計算分析,發現其X、Y向的層間位移角均不大于1/50,這符合實際工程設計中少墻框架的位移控制原則。本文只對梁、柱、墻的的材料用量進行統計,與框架結構1相比,少墻框架的材料造價只增加1.0%,經濟上并未造成浪費。

    5結語

    1)通過某高烈度地區綜合商場的實例分析發現,在純框架結構難以滿足層間位移角的限值時,少墻框架結構可以有效解決限值要求,并避免了“肥梁胖柱”的出現,較小的梁柱截面更符合建筑對空間功能的使用要求。2)通過框架的抗傾覆力矩比不大于80%控制剪力墻的布置數量,當剪力墻在角部均勻布置時,少墻框架結構可以展現比純框架結構更有效的抗扭性能。3)在控制位移比相近的情況下,相較于純框架結構,少墻框架的設置并未在經濟上造成浪費。

    作者:魏鑒棟 張廣博

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