高层框架-剪力墙结构优化设计

摘要：建筑的空间形态是由结构传力体系支撑的, 传力体系的剖面形式直接反映结构竖直荷载传递的路径, 也关系到建筑物的使用功能。不同建筑结构其传力体系也是不一样的, 因此在结构设计时也应考虑诸多细节以及采用正确的计算方法, 使建筑物传力体系清晰, 并满足抗震设计规范要求。

关键词：高层建筑框架 剪力墙结构 优化设计

中图分类号：TU208文献标识码： A

前言

由于纵向、横向剪力墙在其自身平面内的刚度都很大, 在水平荷载的作用下, 侧移较小, 因此这种结构抗震及抗风性能都较强, 适宜于建造层数较多的高层建筑。结构工程师应该在框架－剪力墙设计中把握要点, 使结构安全、经济。本文对高层建筑框架－剪力墙结构优化设计进行了探讨。

一、工程概述

1某高层公寓, 地上31 层, 地下2 层, 建筑物高度98. 3 m。从使用功能上, 地下2 层为停车库, 面积较大; 地上两层裙房作为商场; 裙房以上为公寓。主体部分尺寸为: 62. 6 m×18. 2 m。该工程抗震设防烈度为7 度, 设计基本地震加速度值为0. 1g, 建筑场地类别为Ⅱ类, 结构形式为框架――剪力墙结构, 框架及剪力墙的抗震等级均为二级。采用的结构计算软件为PKPM 系列SA TWE 软件计算。

二、 结构布置

1、结构平面布置

结构平面布置及柱网的布置按照建筑要求。剪力墙的布置在设计中经过多次调整, 一方面由于建筑使用功能的要求: 地下室为地下车库; 地上1 至2层为商场; 上部为公寓。在有些情况下, 结构按正常情况下布置的剪力墙影响使用功能; 另一方面剪力墙的布置要合理且满足使用和计算要求。框架――剪力墙结构应设计成双向抗侧力体系 , 抗震设计时, 结构两主轴方向均应布置剪力墙, 见图1 所示。由于水平荷载特别是地震作用的多方向性, 故结构应在多个方向布置抗侧力构件, 才能抵抗水平荷载,保证结构在各个方向具有足够的刚度和承载力。

当平面为正交时, 则应在平面两个主轴方向布置抗侧力构件, 形成双向抗侧力体系。这个问题在框架――剪力墙结构中尤为重要。因为在框架――剪力墙结构中, 剪力墙是主要抗侧力构件, 如仅在一个方向布置剪力墙, 则会造成无剪力墙的方向抗侧力刚度不足, 使该方向带有纯框架的性质, 没有多道防线, 在地震作用下, 可能会使结构在此方向首先破坏, 而且会使两个主轴方向的刚度差异过大, 产生很大的结构整体扭转。

框架――剪力墙结构中, 由于剪力墙的刚度较大, 其数量的多少和平面位置对结构整体刚度和刚心位置影响很大。因此在剪力墙布置时, 应按“均匀、分散、对称、周边”的原则。根据建筑主体结构平面特点:

（1）剪力墙均匀布置在建筑物的周边附近, 使它充分发挥抗扭作用, 在楼电梯间及恒载较大的部位设置剪力墙, 以保证楼盖与剪力墙的剪力传递。

（2）纵横向剪力墙尽量连接在一起, 或设计成带边框的剪力墙( 该工程按此要求) 以增大剪力墙的刚度和抗扭转能力。

（3）剪力墙的布置宜分布均匀, 单片墙的刚度宜接近, 墙肢较长时宜开洞( 如电梯间处剪力墙) 。

（4）该工程纵向较长, 纵向剪力墙按纵向分布设置, 避免集中设置在房屋的端开间。

（5）剪力墙的数量应适量, 过多会使结构抗侧力刚度过大, 加大地震作用, 增大地震效应。在此基础上, 控制在基本振型地震作用下, 剪力墙所承受的地震倾覆力矩占结构总地震倾覆力矩的比例一般在60%~ 80% 之间较理想。

2、结构竖向布置

该工程下部两层为裙房, 形成大底盘单塔结构,在结构布置上应符合简单、规则、减少偏心的要求。结构的侧向刚度宜下大上小, 逐渐均匀变化, 不应采用竖向布置严重不规则的结构。

三、结构计算简图

钢筋混凝土高层建筑在进行结构计算分析之前,必须首先确定上部结构嵌固端所在的位置。嵌固端的正确选取是高层建筑结构计算模型中的一个重要假定, 它直接关系到结构计算模型与结构实际受力状态的符合程度, 构件内力及结构侧移等计算结果的准确性。所谓嵌固部位就是预期塑性铰出现的部位, 确定嵌固部位可通过刚度和承载力调整迫使塑性铰在预期的部位出现。该工程为带两层地下室结构, 且范围比主体结构大很多, 在确定结构计算简图时, 将地下室顶板作为上部结构的嵌固部位。在结构计算时,要使地下室结构的楼层侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚度的两倍。在计算侧向刚度时, 该工程根据实际情况没有考虑地下室外墙参与的作用。

三、计算方法及计算参数选取

该工程采用的计算方法为振型分解反应谱法, 计算软件为PKPM 系列SATWE 软件计算。在结构计算中根据抗震设防烈度, 除在结构两个主轴方向分别考虑水平地震作用外, 并考虑双向水平地震作用下的扭转影响, 同时考虑在偶然偏心影响下的作用。如周期折减系数0. 75; 柱配筋计算原则按单偏压计算双偏压复核; 中梁刚度增大系数2. 00; 连梁刚度折减系数0. 7; 梁扭矩折减系数0. 4; 考虑0. 2Qo调整。在结构计算中通过调整各构件尺寸和剪力墙截面, 使其满足规范的要求。例如: 该工程在计算中横向中间跨梁出现超筋及截面抗剪不足等情况。因中间跨跨度为4. 4 m, 两边跨分别为6. 0 m 和7. 8 m, 跨度较小, 而且由于建筑净高要求, 截面高度不得大于400 mm, 中间跨梁有的为连梁( 一端或两端与剪力墙相连) , 有的为框架梁( 两端与框架柱相连) , 通过不断的调整该梁的截面及其他构件, 最后通过加大该部分梁的截面宽度, 其他部分作相应的调整, 最后满足要求。

周期和位移计算结果:

T1 = 2. 925 3( 平动) ;

T2=2. 723 5( 平动) ;

T3= 2. 411 9( 扭转) ; 周期比= 0. 824。

在偶然偏心地震力作用下, X 、Y 方向的最大位移比分别为1. 29 ；1. 37。X 方向地震作用下最大层间位移角: 1/ 1 223; X 双向地震作用下最大层间位移角: 1/ 1 221; X - 5% 偶然偏心地震力作用下最大层间位移角: 1/ 1 240; X + 5% 偶然偏心地震力作用下最大层间位移角: 1/ 1 207; Y 方向地震作用下最大层间位移角: 1/ 1 352; Y 双向地震作用下最大层间位移角: 1/ 1 319; Y- 5%偶然偏心地震力作用下最大层间位移角: 1/ 1 153; Y+ 5%偶然偏心地震力作用下最大层间位移角: 1/ 1 224。

四、剪力墙连梁的设计

高层建筑在水平力作用下, 连梁的内力往往很大, 设计时应采取降低连梁内力的各种措施。如:加大剪力墙的洞口高度; 在连梁中部设水平缝; 对连梁内力进行调整; 对连梁刚度进行折减等。该工程采用调整洞口尺寸及对连梁内力进行调整。设计中如采取加大剪力墙洞口尺寸, 从而减少连梁内力的方法在解决连梁的问题上非常有效。在框架剪力墙结构中, 一端与框架柱相连, 一端与剪力墙相连的框架梁或连梁( 该工程多处出现) , 超筋较多。类似这种情况, 可以采取如下做法:

1、调整连梁截面尺寸。

2、与连梁相连的剪力墙开设结构洞。

3、也可将连梁与剪力墙相连的一端设计成梁、墙铰接, 只传递集中力不传递弯矩, 这样一般可满足梁柱端及梁跨中的抗弯承载力要求。当梁的跨度较大时, 应验算梁的挠度和裂缝宽度。

五、 应注意的问题及采取的措施

1、剪力墙的布置应在建筑物的周边附近, 两主轴方向均匀布置剪力墙, 楼电梯间等竖井的设置宜于附近的框架或剪力墙相结合, 形成连续完整的抗侧力体系。

2、剪力墙开洞时, 洞口宜上下对齐, 避免错开。

3、计算参数取值要合理, 对于计算结果要加以分析判断, 确认其合理、有效后, 方可用于工程设计。

4、计算结果应在规范或规程允许范围内。

5、在结构设计中, 对结构的薄弱部位, 如大洞口周边及楼电梯间部位采取必要的构造措施予以加强。

结束语

剪力墙具有比较大的刚度,在结构中通常承受大部分的水平力,成为一种比较有效的抗侧力的结构,在地震区的高层建筑中设置剪力墙或者核心筒可以很好的改善建筑的抗震性能。

参考文献

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