探讨我国当代高层建筑的框剪结构设计

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  摘要:框架-剪力墙主要由框架构成自由灵活的使用空间,容易满足不同建筑功能的要求,同时又有足够的剪力墙作为抗侧构件,具有较大的刚度,从而使得框剪结构具有较强的抗震能力,也大大减少了结构侧移,避免砌体填充墙在地震时严重破坏和倒塌。因此,本文针对框架-剪力墙结构在平时设计时的一些问题总结出来,和大家交流。
  关键词:框架-剪力墙结构;连梁;抗震能力
  1高层建筑发展的特点
  近年来,随着我国的建筑用地的紧张,高层建筑由于其建筑功能,高层建筑的层数在不断地增多。另一方面,层数日渐增多的高层公共建筑为满足不同用户的需要和适应现代社会高效率、快节奏的要求,而发展为高层综合大厦。综合性建筑的发展使平面布置和体型日益复杂,使结构体系日益多样化,最常用的结构体系有:框架-筒体结构、框架-剪力墙结构。特别是框架-剪力墙结构,也称框剪结构,广泛用于办公和公共建筑,也大量应用于高层建筑中。
  2 剪力墙及连梁的布置
  在地震力作用下,联肢墙可发生下列破坏形式;
  2.1墙肢由于抗剪能力不够而发生剪切破坏(脆性破坏),这会使剪力墙很快丧失承载能力,甚至造成结构的突然倒塌。这是设计时应该绝对避免的。《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)规定了剪力墙截面的剪压比限值和抗震等级为一、二级时,墙底部位剪力设计值的放大系数,就是为了防止墙肢发生剪切破坏。
  2.2 墙肢发生弯曲破坏,此时,连梁尚未屈服,这种墙肢在破坏时极限变形很小,它虽然是一种延性破坏,但吸收地震能量的能力是有限的,设计中应避免这种情况出现。
  2.3 连梁发生剪切破坏。连梁发生剪切破坏会使联肢墙各墙肢丧失连梁的约束作用,在沿墙全高所有连梁均发生剪切破坏时,联肢墙的各墙肢成为单片的独立剪力墙,这会使结构的侧向刚度大大降低,墙肢弯矩增大。但是,和墙肢发生剪切破坏相比,连梁发生剪切破坏,结构尚未丧失承载能力,由于刚度降低,地震力也随之降低,还不会造成结构的倒塌。
  2.4 连梁先屈服,最后是墙肢的屈服、当连梁有足够的延性时,它能通过塑性铰的变形吸收大量的地震能量。由于产生塑性铰,使结构周期变长,地震力降低,同时,通过塑性铰仍然继续传递弯矩和剪力,对墙肢起到一定的约束作用,使联肢墙继续保持足够的刚度和强度。这是设计中应首先考虑做到的。
  2.5梁的扭矩问题
  (1)梁在空间受力状态下承受扭矩虽然梁出现扭转裂缝后抗扭刚度大大降低而使扭矩减小但在正常使用下梁处于弹性状态所以抗扭刚度本身不予折减但由于在截面作受扭承载力验算时梁只考虑了矩形部分板的作用并没有考虑所以梁承受的扭矩只是总扭矩的一部分目前大多数建筑的楼面为现浇板因此现浇楼面梁在设计时扭矩设计值可以折减折减系数为0.4~1.0 在具体设计时应注意梁的周边无板的梁的抗扭装配式楼盖或独立梁的扭矩不应折减
  (2)在剪力墙数量比较少的情况下,增加剪力墙数量可以收到明显的效果,但增加剪力墙,必须布置均匀、合理,否则,由于剪力墙增加,刚度加大,地震力增加,剪力墙受力不均匀,效果反而不好。
  (3)在剪力墙数量不能满足要求的情况下,加开结构洞,降低连梁高度,降低结构刚度,使地震力减小;同时,使各片剪力墙受力均匀,使连梁承受的剪力相应减小,使剪力墙满足抗震要求,连梁满足强剪弱弯的要求,从而达到在强震作用下,连梁先屈服,剪力墙再屈服的情况。我们知道,刚性高层建筑有利于抵抗风荷载及小震,而柔性结构对大震十分有利。理想的设计是在小震及风荷载作用下处于刚性状态,而在大震作用下,结构处于柔性状态。因此,通过调整连梁截面,满足强剪弱弯的要求,使得连梁在小震时仍处于弹性,而在大震时出现塑性铰,进而使结构在大震时进入柔性状态。
  (4)在剪力墙布置时,应尽量通过开结构洞,使结构处于对称状态,尽量降低由于扭转造成的不利影响。
  同时,要注意剪力墙的刚度不宜突变,高层建筑结构设计受很多因素的制约,而通过开设结构洞,解决这一问题。
  3 框架-剪力墙结构中框架剪力的调整
  在有限元分析程序SATWE 计算中采用了楼板平面内刚度无限大的假定,即认为楼板在自身平面内是不变形的。但是在框架-剪力墙结构中,作为主要侧向支承的剪力墙间距很大,实际上楼板是会变形的,变形的结果将会使框架部分的水平位移大于剪力墙的水平位移,相应地,框架实际承受的水平力大于采用刚性楼板假定的计算结果。更为重要的是,剪力墙的刚度大,承受了大部分的水平力,因而在地震作用下,剪力墙会首先开裂,刚度降低,从而使一部分地震力向框架转移,框架受到的地震作用会显著增加。另外,由内力分析可知,框架-剪力墙结构中的框架,受力情况不同于纯框架结构中的框架,它下部楼层的计算剪力很小,到底部接近于零。显然直接按照计算的剪力进行配筋是不安全的,必须予于适当的调整,使框架具有足够的抗震能力,使框架成为框架-剪力墙结构的第二道防线。具体设计时对于底层大底盘结构应对裙房部分和上部主体部分分别进行调整;还有结构沿竖向变化很大,平面不规则的结构在调整时应加以分析。
  4 施工模拟问题
  高层建筑的竖向荷载绝大部分是结构自重,而结构的自重是在施工过程中分层施加的,因而柱和剪力墙已在施工过程中逐渐完成了轴向变形,这就有了模拟施工的计算方法;但是,建筑物开始使用后,竖向荷载全部加上,长期作用。由于柱子轴压比大,徐变变形明显大于剪力墙,所以内力又重新调整,情况又趋向一次加载的计算结果。所以在设计时仅对顶部楼层配筋异常的梁用两种计算结果进行了调整,加大与柱相连梁端负钢筋,减小与剪力墙相连一侧负钢筋。
  5结束语
  (1)在剪力墙数量比较少,又不能增加剪力墙数量的情况下,通过合理结构布置,降低地震力,使剪力墙均匀受力,剪力墙的最大配筋率可下降50%以上,满足抗震要求,在剪力墙布置時,应尽量通过开结构洞调整连梁高度满足强剪弱弯的要求;
  (2)仅在下部少数几层增加剪力墙,因刚度突变对剪力墙受力有更不利的影响。
  高层建筑结构设计受很多因素的制约,结构体系的选择,对框剪结构来说,剪力墙的数量、布置、结构洞的设置、连梁的高度等都是设计时应该综合考虑的,设计的任务就是把这些互相制约的因素统一协调,取得比较完美的结果。
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