對高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一些問題的思索.doc

對高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一些問題的思索 閆紅玉YANHong-yu （江蘇省蘇中建設(shè)集團(tuán)股份有限公司上海建筑設(shè)計(jì)分公司，上海200072） 摘要：根據(jù)剪力墻的肢強(qiáng)系數(shù)和整體系數(shù)對剪力墻進(jìn)行分類，并且對各種剪力墻的類型的連梁和墻肢的相對強(qiáng)弱關(guān)系進(jìn)行闡述，而剪力墻的數(shù)量和結(jié)構(gòu)都要合理的布置，利用簡單的計(jì)算原理，結(jié)合剪力墻和框架的相關(guān)關(guān)系，建立安全、經(jīng)濟(jì)、合理科學(xué)的設(shè)計(jì)。本文主要針對高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一些問題進(jìn)行探索。 關(guān)鍵詞：框架剪力墻；高層結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì) ：TU973：A：1006-4311（xx）23-0107-02 作者簡介：閆紅玉（1980-），男，江蘇淮安人，中級職稱，工學(xué)學(xué)士，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 0引言 隨著社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，土地使用緊張，高層建筑越來越受到投資商的青睞。而剪力墻結(jié)構(gòu)不僅其空間整體性好、結(jié)構(gòu)剛度大，受到水平作用下變形小。還因?yàn)槠淠軌虮苊夥墙Y(jié)構(gòu)構(gòu)件和設(shè)備管道被破壞等優(yōu)點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用到高層結(jié)構(gòu)中。但是在現(xiàn)實(shí)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，我們不可能做到完美，下面就針對實(shí)際工程設(shè)計(jì)中遇到的一些問題進(jìn)行思索。 1剪力墻的分類以及受力特點(diǎn) 剪力墻可以分為整截面墻、整體小開口墻，聯(lián)肢墻、獨(dú)立懸臂墻以及壁式框架墻這五類，這是根據(jù)剪力墻墻上開洞的大小以及數(shù)量和位置的不同劃分的，當(dāng)然在理論上也是可以通過墻肢與組合截面慣性矩比In/I、剪力墻整體系數(shù)以及肢強(qiáng)系數(shù)來判斷。連梁與墻肢抗彎系數(shù)剛度越大，表明肢越弱梁就越強(qiáng)，剪力墻的整體性就越好，這是整體系數(shù)a的物理意義。但是梁強(qiáng)肢弱這也是分為兩種情況的，一種是墻肢為弱的，但是梁比肢強(qiáng)這就是真正的弱肢強(qiáng)梁；第二種是墻肢強(qiáng)但是梁更強(qiáng)。因此，我們需要要用肢強(qiáng)系數(shù)同時(shí)結(jié)合截面慣性矩比In/I來判斷墻肢的強(qiáng)弱。 整截面墻或整體小開口墻需要滿足的條件是a10，In/I；壁式框架是需要滿足a10，但是也要滿足a；聯(lián)肢墻則是滿足In/I但a10；當(dāng)是獨(dú)立懸臂梁是a1。當(dāng)然這幾種剪力墻在水平荷載下受力情況是不相同的。 整截面墻或者是整體小開口墻整體性較好，它們的受力在一定程度上是相似的，變形曲線都是彎曲性的，主要不同是整體截面墻是不開洞的，體現(xiàn)在彎矩是有突變的，但是幾乎沒有反彎點(diǎn)，兩者的共同點(diǎn)是墻連梁對墻肢的約束作用是極強(qiáng)的。 2高層建筑框架-剪力墻受力特點(diǎn) 2.1受力特點(diǎn)框架-剪力墻并不同于純框架墻的受力特點(diǎn)，在框架結(jié)構(gòu)受力過程中剪力墻的受力要比框架墻大得多。而且框架和剪力墻的負(fù)載是不斷的在移動(dòng)的，這就需要注意在計(jì)算框架和剪力墻之間的分配比例，框架剪力墻結(jié)構(gòu)中樓層分配比例會(huì)隨著框架剪力結(jié)構(gòu)樓層的變化而不斷變化通常情況下，框架剪力墻結(jié)構(gòu)中，房屋高度的中上部一般是剪力控制的部位。但是純框架結(jié)構(gòu)中，這個(gè)部位在底部。所以，在高層建筑中，實(shí)際布局中如果有剪力墻的情況下，設(shè)計(jì)分析時(shí)就要考慮剪力的部位，并且考慮框架、剪力墻的多種性能特點(diǎn)。 2.2剪力墻的計(jì)算方式高層建筑的框架剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻承受的豎向荷載基本都是通過樓面?zhèn)鬟f到剪力墻的。此荷載在墻之內(nèi)和連梁內(nèi)產(chǎn)生的軸力不同，一般都按照受荷剪力墻的面積來進(jìn)行計(jì)算。而在水平作用下，我們通常是用二維平面分析剪力墻受力問題。同時(shí)運(yùn)用平面問題求解，利用有限元方法并結(jié)合計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。在實(shí)際工程中，應(yīng)該根據(jù)具體情況來分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。 3高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1計(jì)算中注意的事項(xiàng)在水平力的推動(dòng)下，在進(jìn)行框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和適用高度必須要結(jié)合整個(gè)高層建筑底層框架所能承受的結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩和地震傾覆力矩之間的比值進(jìn)行計(jì)算。這個(gè)結(jié)構(gòu)模型和分析都應(yīng)該按照真實(shí)情況輸入分析。 3.2合力調(diào)整0.2Vo系數(shù)通常情況下，在框架剪力墻結(jié)構(gòu)中，框架承受的剪力是很小的，但是在此機(jī)構(gòu)中，防線設(shè)計(jì)比較多。其中剪力墻作為第一道防線，框架作為第二道防線要求第二道防線的框架有一定的儲(chǔ)備能力。這就要求在設(shè)計(jì)中要計(jì)算出柱子的剪力有多大。 3.3剪力墻截面高度根據(jù)了解，剪力墻越厚，相應(yīng)的框架的負(fù)擔(dān)就會(huì)越重。所以剪力墻截面的厚度就要盡量減少，否則，就會(huì)有相應(yīng)的抗側(cè)力剛度來分擔(dān)他的重量。而如果剪力墻截面厚度增大，但是框架部分的抗側(cè)剛度沒有相應(yīng)的增加。增大的重量就必須由框架單獨(dú)承擔(dān)。這種情況就會(huì)影響到工程的抗震能力。 3.4注意樓面梁平面的設(shè)計(jì)在整個(gè)框架剪力墻設(shè)計(jì)中，樓面梁平面是與剪力墻相互聯(lián)系的。這一點(diǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)勢在于，抗震墻不能在梁軸線防線。這個(gè)時(shí)候就需要設(shè)暗柱和輔助組來支撐梁的位置，這一過程需要經(jīng)過精密的計(jì)算來確定尺寸。 3.5框架剪力墻結(jié)構(gòu)的連梁截面要有一定的承載力抗震防線中的先鋒是剪力墻。但是連梁跨高比太大的話，就很容易形成弱連梁，抗震效果極差，連梁的端處容易發(fā)生開裂現(xiàn)象。這就會(huì)大大削弱了剪力墻的抗震能力。因此，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，要合理控制剪力墻的洞口連梁跨高比，且梁截面高度最好高于400mm。整個(gè)連梁的設(shè)計(jì)，不能用剪力墻平面外相連的梁與框架柱，并且設(shè)計(jì)剪力墻相交的支座要按照鉸接。連梁跨高比小于5的，要保證其剛度折減系數(shù)不小于0.5。 4框架剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻的布置和數(shù)量 4.1剪力墻的布置分散、均與、周邊、對稱，這是剪力墻平面布置的一般原則。分散的原則就是剪力墻片數(shù)不應(yīng)太少，且每片剪力墻的高度不能太大，連續(xù)尺寸不能太長，這樣分散一些每片剪力墻的彎曲剛度正好適中。在使用過程中也能保證個(gè)別墻的受力不會(huì)太集中，整體性好。周邊的原則就是，保證整個(gè)平面中心與剛度中心相互吻合，保證建筑物抗扭轉(zhuǎn)的能力，剪力墻布置在周邊對稱位置，保證剪力墻面積不變的情況下，增加了內(nèi)力臂，提高了抗扭轉(zhuǎn)的能力。 4.2確定剪力墻的厚度邊框梁和邊框柱，這是框架剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻的約束構(gòu)件。在有關(guān)規(guī)范中規(guī)定，帶邊框剪力墻的厚度為：1、2級剪力墻的底部，加強(qiáng)部分的厚度不應(yīng)該小于200mm，且也不應(yīng)該小于層高的十六分之一；除此之外，其他情況不應(yīng)該小于160mm，而且不應(yīng)該小于層高二十分之一。鑒于此，可以剪力墻的厚度應(yīng)該在層高的十六分之一或者二十分之一的前提下，200mm是最好的。 4.3剪力墻合理數(shù)量的確定許可位移決定剪力墻的合理數(shù)量。框架剪力墻結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移與高之比u/H不宜大于1/700，裝修時(shí)則要求是u/H不宜超過1/850，要在滿足這個(gè)硬性條件下，盡量減小剪力墻的數(shù)量。 想提高框架剪力墻的剛度，相應(yīng)的就必須增加剪力墻的數(shù)量，地震力大，地震的周期短這就意味著材料的耗費(fèi)也就會(huì)相應(yīng)的增加，在這一方面，日本就要相關(guān)的調(diào)查數(shù)據(jù)能夠證明，而在此方面國內(nèi)并不是很成熟，設(shè)計(jì)過程中沒有實(shí)例用于借鑒，可以根據(jù)實(shí)際情況、地區(qū)設(shè)防烈度、建筑物的高度以及上述內(nèi)容作為參考。 除了上述的剪力墻的分類以及受力特點(diǎn)、高層建筑框架-剪力墻受力特點(diǎn)、高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻的布置和數(shù)量等，剪力墻肢截面斷肢的分類也是需要考慮的。 5結(jié)合案例分析 5.1工程概況金虹橋國際中心項(xiàng)目位于上海市長寧區(qū)茅臺(tái)路以南，婁山關(guān)路以西、古北路以東，婁山關(guān)路455弄以北，其中地上建筑面積141976平方米。工程采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)。 5.2剪力墻受力計(jì)算模型在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初始階段，常常面臨如何經(jīng)濟(jì)、合理地確定剪力墻數(shù)，使之滿足位移要求并減少大量重復(fù)工作的問題。當(dāng)不考慮連梁對剪力墻的轉(zhuǎn)動(dòng)約束作用時(shí)，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)可以簡化為框架c剪力墻鉸接體系，如圖1所示。 框架-剪力墻鉸接體系的變性協(xié)調(diào)微分方程為： d4y/dx4-Cfd2y/EwLwdx2=P（x）/EwLw（1） 式中：y框架-剪力墻的側(cè)向位移； x框架-剪力墻距底部的距離； Cf框架的抗側(cè)剛度； EwLw剪力墻的抗側(cè)剛度； P（x）水平荷載。 ：稱為結(jié)構(gòu)剛度特征值，是與剪力墻和框架的剛度有關(guān)的參數(shù)。 在倒三角形荷載下，求解方程式（1），可得到y(tǒng)（x）的表達(dá)式，當(dāng)x=H時(shí)，設(shè)此時(shí)的y（H）為，可得到： 120Cf/11qH2=A2（3） 利用計(jì)算機(jī)程序可求解得： 若已知框架的抗側(cè)剛度，并根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)程確定/H，則根據(jù)式（2）和式（4）可以得到滿足位移要求的剪墻剛度，進(jìn)而確定所需要的剪力墻數(shù)目。 5.3剪力墻受力效果通過魯班BIX的技術(shù)獨(dú)立模型、碰撞檢測、協(xié)調(diào)溝通、三維技術(shù)交底，運(yùn)用上述公式（2）和公式（4）通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)該項(xiàng)目剪力墻受力結(jié)構(gòu)合理，剪力墻的肢強(qiáng)系數(shù)和整體系數(shù)也能滿足支撐要求，使該工程建設(shè)達(dá)到了安全、經(jīng)濟(jì)、合理的施工要求。 6結(jié)束語 從上面內(nèi)容綜合可以看出來，高層建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞關(guān)系著整個(gè)建筑的安全、質(zhì)量，這是建筑工程的重點(diǎn)。由于框架剪力墻的眾多優(yōu)點(diǎn)，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)框架剪力墻是首選的結(jié)構(gòu)，但是他的設(shè)計(jì)過程必須經(jīng)過合理的判斷以及精密的計(jì)算，同時(shí)在設(shè)計(jì)過程中還要考慮到整個(gè)框架剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震能力以及受力情況，并且盡量提高框架剪力墻的抗震能力。 參考文獻(xiàn)： 1李曉斌.淺談高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)J.城市建設(shè)理論研究（