论文部分内容阅读
摘要：在多层及高层建筑结构中，随着层数和高度的增加，水平力对结构构件的截面尺寸和配筋量的控制作用也就愈大，这一特点在框架结构中尤为突出。本文提出一种较为理想的新结构——底部加抗震墙框架结构。这种结构可弥补框架结构随高度和层数增加，而底部少数几层刚度不足侧移变形过大的缺陷；而且抗震墙不必一通到顶，节省材料，降低造价。
关键词：高层建筑；抗震墙式；框架结构体系
Abstract: In the multi-storied and high-rise building structure, with the layers and height increase, control section dimensions and reinforcement of horizontal force on the structure of components is larger. This characteristic is particularly prominent in the frame structure. This paper presents a new structure of ideal -- the bottom shear wall frame structure. The structure can make up the frame structure with the increase of height and the number of layers while the bottom few layers of insufficient stiffness of lateral deformation of large defects; and the shear wall without a top, save material, reduce cost.
Key words: high-rise building; shear wall; frame structure system
中图分类号:[TU208.3]文献标识码：A文章编号：
一、建筑结构体型的均匀性
在中强地震作用下，上部砖房对底部产生较大的倾覆力矩，使设置抗震墙数量少的一侧的框架柱产生较大的附加轴力，承载和变形能力下降，导致震害加剧。故底部抗震墙布置应尽可能均匀对称分散分布，尽量使纵横向抗震墙相连；同时，纵向抗震墙应在外纵轴线布置开窗洞的抗震墙或短肢剪力墙，增强横向抗倾覆的能力，减小倾覆力矩对框架柱产生的附加轴力。另外，尽可能地减少层数、降低层高以削弱倾覆力矩的影响。抗震设计中，应尽可能使建筑平面简秸、规则，结构的刚度中心与质心相一致，以减小地震作用下结构产生的扭转效应，对于结构平面布置不规则的房屋应注意偏离结构刚度中心远端的抗震墙或框架柱承载力的验算。建筑立面应避免头重脚轻，结构重心尽可能降低。出屋面部分如屋顶的女儿墙、水箱间等，由于根部与下部结构连接薄弱，刚度突变，受鞭梢效应影响严重，在地震时容易率先破坏倾倒；另外，其地震作用通过周边的屋面结构传至下部结构，如屋面结构刚度不足时，在突出屋面结构的下部一定范围内破坏相对集中。抗震设计要求出屋面建筑部分的高度不应过高，以减小地震时产生的鞭梢效应。同时，控制结构竖向强度和刚度的均匀性。在中强地震作用下，结构进入弹塑性状态，结构的薄弱楼层将产生变形集中，其变形值数倍于其它楼层，薄弱楼层的变形大小决定了结构的破坏状态。在水平地震作用下，结构楼层的强弱程度可由楼层屈服强度系数的大小来判断。
二、抗震墙式框架结构体系的特点
抗震墙式框架就是抗震墙之间用经过特殊设计计算的连梁（或支撑）联结起来形成的框架，连梁设计不作为正常的受力构件，主要功能大大减少侧向位移，在地震作用时，首先屈服形成塑性铰，达到保护主要受力杆件减少非结构性的破坏，保证结构体系仍然是稳定的，图1 表示两组7 层抗震墙式框架的变形曲线和结构的延性系数是一个很好的证明。事实上这种结构体系在许多高层建筑中已被采用，通过增设连梁增加结构超静定次数，但对连梁在地震作用下大幅度调频的作用认识不够。
图一
为满足建筑设计的灵活性要求，抗震墙式框架必须与其他结构协同工作，称之为“抗震墙式框架结构体系”。此种体系有如下几个特点：
1、抗震墙式框架结构体系，在地震作用时连梁均形成塑性铰，而抗震墙还处在弹性范围内，据一项50m 高14 层双支抗震墙（图2）的实验研究结果表明，随着水平试验荷载的增加，连梁逐渐形成塑性铰，抗震墙处于弹性范围之内，图3 中sm曲线为塑性铰形成之前的变形曲线，sn 为全部连梁形成塑性铰后之变形曲线，顶层的结构影响系数C为0.239，结构的延性为5.81。这好比在强震一开始地震惯性力通过连梁的耗能作用减少0.239 倍，而结构频率减少近2.5 倍，这一特性在既有近震又有远震、场地特性比较复杂，同时要求非结构破坏较少的情况下更显示此体系的优越性，达到“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设计目标。
图二图三
2、在强震作用下，抗震墙式框架中连梁设计可根据情况对底下几层与上面几层的连梁刚度加以调整，以达到最佳“保险”构件作用，使其能有规律的形成塑性铰和逐步耗能，能从一种结构体系中过渡到另一种结构体系，而这种体系仍然是稳定的结构。靠抗震墙的开裂达到减震调频的目的是不适当的（这种方式只能作为抗震第2 道防线），一旦层间刚度比例失调，结构影响系数集中在其中的某一层或某几层，带来的后果将是危险的，而连梁这根“保险杆件”就能起到应力集中的调节作用。
3、对于非结构构件破坏要求高的建筑（如装修工程占的造价很高），采用抗震墙式框架与其它结构其同作用的体系是适当的，从图1 的变形曲线可知，抗震墙增加连梁后顶层位移减少近6 倍就可说明。
4、整体结构的受力变形特点。抗震墙框架是一种新抗震体系，这种新结构的受力与变形与纯框架和框架一抗震墙不同，大体可分三部分：上部框架结构受力变形；中部过渡层受力变形；底部加抗震墙框架结构受力变形。上部框架结构受力变形类似于纯框架结构。中间过渡层的受力变形较复杂。由于刚度的突变，过渡层存在局部应力集中现象，下面有墙处的过渡层框架水平地震力大，其他处相应的较小. 图4 位移曲线上过渡层是一拐点，上部曲线下凸（呈剪切型），下部曲线上凸（呈弯剪型），下部刚度大对过渡层底楼板转角有约束，使上部变形减少. 房屋底部地震剪力由框架和抗震墙共同担负。由于抗震墙的刚度大，所以大部分水平剪力都有抗震墙分担. 楼盖刚度愈大，这种现象越突出。抗震墙框架的变形本本呈剪弯型。
二、框架结构设计中的常见问题
1、侧向刚度比符合要求，但上层纵向墙体开间过大，下部抗震墻几乎没有，这种上、下纵向刚度都很小，相对比值却能满足。对于这类房屋，首先要求上层砌体应满足砌体结构的局部尺寸限值，再调整底部抗震墙，使之满足侧向刚度比。
2、单片抗震墙过长，有的整个山墙l2 米多全按抗震墙设计，形成”刚度集中”。对于高层建筑，抗震墙不宜超过8 米，而对于高度矮很多底框房屋墙更不应过长。低矮抗震墙破坏特征是”剪切型”，具破坏起于混凝土剪坏，属脆性破坏。规范规定底框房屋抗震墙高宽比不宜小于2.0，较长的抗震墙可设竖缝予以处理。
3、托墙梁支承于底部抗震墙上，这是一种严重的设计错误。其错在于：（1）由于托墙梁截面一般都很大，受力很大，使得抗震墙承受很大的出平面弯曲作用，也使得抗震墙局部区段轴压比过大。（2）底框房屋抗震墙一般在200— 250 之间，托墙梁纵向钢筋的锚固难以达到规范强制性条文7、5、3条的要求。
（3）由于墙很薄，托墙梁线刚度很大，形成”强梁弱支座”，节点易于破坏，托墙梁配置很多负筋不起作用。对这类问题，应在托墙梁下设框支柱，或设垂直的抗震墙以平衡厚墙体出平面的弯曲作用。在一些错误的设计中，托墙梁下抗震墙连暗柱都没有设置，这应该引起大家的重视。
4、当有次梁托墙时，应注意支承托墙次梁的主框架梁的抗剪、抗扭设计，此时不能按一般多层框架梁的构造作法，在支座边1.5 倍梁高或1/6 跨度范围内加密箍筋。由于托墙次梁传来很大的集中力和扭矩，有可能使得跨中剪力与支座剪力相差不很大，对这类情况要注意跨中抗剪强度的验算。注意一下这个问题，或许可以避免大错误。
图四
三、总结
框架抗震墙的结构形式具有比全框架结构经济（在相同使用功能条件下可节约造价20％一30％ 1，同时又具有框架结构大空间便于灵活布置的使用特点，且施工简单、T 期短。因此这种结构形式使用的较为普遍，在经济发展较为滞后的地区尤为适用，正是有这种广泛的需求，所以又提出了两层框架抗震墙砌体结构的设计原则和规定，这对高层建筑抗震墙式框架结构体系的设计奠定了基础，有利于高层建筑抗震墙式框架结构体系的发展，有利于我国建筑抗震设计水平的提高。
关键词：高层建筑；抗震墙式；框架结构体系
Abstract: In the multi-storied and high-rise building structure, with the layers and height increase, control section dimensions and reinforcement of horizontal force on the structure of components is larger. This characteristic is particularly prominent in the frame structure. This paper presents a new structure of ideal -- the bottom shear wall frame structure. The structure can make up the frame structure with the increase of height and the number of layers while the bottom few layers of insufficient stiffness of lateral deformation of large defects; and the shear wall without a top, save material, reduce cost.
Key words: high-rise building; shear wall; frame structure system
中图分类号:[TU208.3]文献标识码：A文章编号：
一、建筑结构体型的均匀性
在中强地震作用下，上部砖房对底部产生较大的倾覆力矩，使设置抗震墙数量少的一侧的框架柱产生较大的附加轴力，承载和变形能力下降，导致震害加剧。故底部抗震墙布置应尽可能均匀对称分散分布，尽量使纵横向抗震墙相连；同时，纵向抗震墙应在外纵轴线布置开窗洞的抗震墙或短肢剪力墙，增强横向抗倾覆的能力，减小倾覆力矩对框架柱产生的附加轴力。另外，尽可能地减少层数、降低层高以削弱倾覆力矩的影响。抗震设计中，应尽可能使建筑平面简秸、规则，结构的刚度中心与质心相一致，以减小地震作用下结构产生的扭转效应，对于结构平面布置不规则的房屋应注意偏离结构刚度中心远端的抗震墙或框架柱承载力的验算。建筑立面应避免头重脚轻，结构重心尽可能降低。出屋面部分如屋顶的女儿墙、水箱间等，由于根部与下部结构连接薄弱，刚度突变，受鞭梢效应影响严重，在地震时容易率先破坏倾倒；另外，其地震作用通过周边的屋面结构传至下部结构，如屋面结构刚度不足时，在突出屋面结构的下部一定范围内破坏相对集中。抗震设计要求出屋面建筑部分的高度不应过高，以减小地震时产生的鞭梢效应。同时，控制结构竖向强度和刚度的均匀性。在中强地震作用下，结构进入弹塑性状态，结构的薄弱楼层将产生变形集中，其变形值数倍于其它楼层，薄弱楼层的变形大小决定了结构的破坏状态。在水平地震作用下，结构楼层的强弱程度可由楼层屈服强度系数的大小来判断。
二、抗震墙式框架结构体系的特点
抗震墙式框架就是抗震墙之间用经过特殊设计计算的连梁（或支撑）联结起来形成的框架，连梁设计不作为正常的受力构件，主要功能大大减少侧向位移，在地震作用时，首先屈服形成塑性铰，达到保护主要受力杆件减少非结构性的破坏，保证结构体系仍然是稳定的，图1 表示两组7 层抗震墙式框架的变形曲线和结构的延性系数是一个很好的证明。事实上这种结构体系在许多高层建筑中已被采用，通过增设连梁增加结构超静定次数，但对连梁在地震作用下大幅度调频的作用认识不够。
图一
为满足建筑设计的灵活性要求，抗震墙式框架必须与其他结构协同工作，称之为“抗震墙式框架结构体系”。此种体系有如下几个特点：
1、抗震墙式框架结构体系，在地震作用时连梁均形成塑性铰，而抗震墙还处在弹性范围内，据一项50m 高14 层双支抗震墙（图2）的实验研究结果表明，随着水平试验荷载的增加，连梁逐渐形成塑性铰，抗震墙处于弹性范围之内，图3 中sm曲线为塑性铰形成之前的变形曲线，sn 为全部连梁形成塑性铰后之变形曲线，顶层的结构影响系数C为0.239，结构的延性为5.81。这好比在强震一开始地震惯性力通过连梁的耗能作用减少0.239 倍，而结构频率减少近2.5 倍，这一特性在既有近震又有远震、场地特性比较复杂，同时要求非结构破坏较少的情况下更显示此体系的优越性，达到“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设计目标。
图二图三
2、在强震作用下，抗震墙式框架中连梁设计可根据情况对底下几层与上面几层的连梁刚度加以调整，以达到最佳“保险”构件作用，使其能有规律的形成塑性铰和逐步耗能，能从一种结构体系中过渡到另一种结构体系，而这种体系仍然是稳定的结构。靠抗震墙的开裂达到减震调频的目的是不适当的（这种方式只能作为抗震第2 道防线），一旦层间刚度比例失调，结构影响系数集中在其中的某一层或某几层，带来的后果将是危险的，而连梁这根“保险杆件”就能起到应力集中的调节作用。
3、对于非结构构件破坏要求高的建筑（如装修工程占的造价很高），采用抗震墙式框架与其它结构其同作用的体系是适当的，从图1 的变形曲线可知，抗震墙增加连梁后顶层位移减少近6 倍就可说明。
4、整体结构的受力变形特点。抗震墙框架是一种新抗震体系，这种新结构的受力与变形与纯框架和框架一抗震墙不同，大体可分三部分：上部框架结构受力变形；中部过渡层受力变形；底部加抗震墙框架结构受力变形。上部框架结构受力变形类似于纯框架结构。中间过渡层的受力变形较复杂。由于刚度的突变，过渡层存在局部应力集中现象，下面有墙处的过渡层框架水平地震力大，其他处相应的较小. 图4 位移曲线上过渡层是一拐点，上部曲线下凸（呈剪切型），下部曲线上凸（呈弯剪型），下部刚度大对过渡层底楼板转角有约束，使上部变形减少. 房屋底部地震剪力由框架和抗震墙共同担负。由于抗震墙的刚度大，所以大部分水平剪力都有抗震墙分担. 楼盖刚度愈大，这种现象越突出。抗震墙框架的变形本本呈剪弯型。
二、框架结构设计中的常见问题
1、侧向刚度比符合要求，但上层纵向墙体开间过大，下部抗震墻几乎没有，这种上、下纵向刚度都很小，相对比值却能满足。对于这类房屋，首先要求上层砌体应满足砌体结构的局部尺寸限值，再调整底部抗震墙，使之满足侧向刚度比。
2、单片抗震墙过长，有的整个山墙l2 米多全按抗震墙设计，形成”刚度集中”。对于高层建筑，抗震墙不宜超过8 米，而对于高度矮很多底框房屋墙更不应过长。低矮抗震墙破坏特征是”剪切型”，具破坏起于混凝土剪坏，属脆性破坏。规范规定底框房屋抗震墙高宽比不宜小于2.0，较长的抗震墙可设竖缝予以处理。
3、托墙梁支承于底部抗震墙上，这是一种严重的设计错误。其错在于：（1）由于托墙梁截面一般都很大，受力很大，使得抗震墙承受很大的出平面弯曲作用，也使得抗震墙局部区段轴压比过大。（2）底框房屋抗震墙一般在200— 250 之间，托墙梁纵向钢筋的锚固难以达到规范强制性条文7、5、3条的要求。
（3）由于墙很薄，托墙梁线刚度很大，形成”强梁弱支座”，节点易于破坏，托墙梁配置很多负筋不起作用。对这类问题，应在托墙梁下设框支柱，或设垂直的抗震墙以平衡厚墙体出平面的弯曲作用。在一些错误的设计中，托墙梁下抗震墙连暗柱都没有设置，这应该引起大家的重视。
4、当有次梁托墙时，应注意支承托墙次梁的主框架梁的抗剪、抗扭设计，此时不能按一般多层框架梁的构造作法，在支座边1.5 倍梁高或1/6 跨度范围内加密箍筋。由于托墙次梁传来很大的集中力和扭矩，有可能使得跨中剪力与支座剪力相差不很大，对这类情况要注意跨中抗剪强度的验算。注意一下这个问题，或许可以避免大错误。
图四
三、总结
框架抗震墙的结构形式具有比全框架结构经济（在相同使用功能条件下可节约造价20％一30％ 1，同时又具有框架结构大空间便于灵活布置的使用特点，且施工简单、T 期短。因此这种结构形式使用的较为普遍，在经济发展较为滞后的地区尤为适用，正是有这种广泛的需求，所以又提出了两层框架抗震墙砌体结构的设计原则和规定，这对高层建筑抗震墙式框架结构体系的设计奠定了基础，有利于高层建筑抗震墙式框架结构体系的发展，有利于我国建筑抗震设计水平的提高。