框剪结构的抗震设计要点

浅谈框架—剪力墙结构的抗震设计要点摘要:随着人口增加，按照人类的生活需要，涌现出许多高层建筑。随着2008年5.12汶川地震等自然灾害的发生，人们在建筑物抗震稳定性方面更加重视且要求更高。在四川、云南等抗震设防等级较高的地方，普通框架结构建筑难以满足抗震设计要求,而框架—剪力墙结构在抗震作用中是一种较好的设计类型，本文针对一般高层框剪结构的抗震设计要点进行分析。关键词：高层建筑;框剪结构;抗震设计Abstract：Alongwiththeincreaseofpopulation,manyhigh-risebuildingshavebeenemergedinaccordancewiththeneedsofhumanlife.Afterthe2008.5.12WenChuanEarthquakeandothernaturaldisasters,peopleattachedgreatimportanceintheseismicstabilityofbuildingandputforwardmoredemanding.Insichuan,yunnanprovincewhereseismicfortificationlevelishigher,aordinaryframestructurebuildingcannoteasytomeettherequirementofseismicdesign,buttheframe-shearwallstructureisapreferabletypeofseismicfortification.Thispapermakesananalysisofthekeypointofseismicdesignofthegeneralhigh-riseframe-shearwallstructure。Keywords:high-risebuildings;theframe-shearwallstructure;seismicdesign前言近些年来，全国各地多发的地震灾害，不断的警示着人们地震灾害本身并不可怕，但是在地震中因为未采取抗震措施而坍塌的建筑物才是给人类带来最多痛苦和灾难的原因。国内大城市有近2/3处于地震区，但是在我国的地震区内，有很大一部分的建筑物没有考虑抗震设防，还有一部分虽然考虑了抗震设防，但是原有建筑物中建筑材料的老龄化，以及使用时间过长致使结构功能的逐渐减弱，并不能满足现有抗震设防的要求。所以无论在建筑物最初设还是现有建筑物进行检测、鉴定，建筑都有需要进行或多或少的抗震加固处理的可能性。所以建筑结构抗震稳定性具有极高的研究价值，作为建筑行业的从业者更应当引起重视，视之为己任。本文就具有较好抗震能力的框架-剪力墙结构（简称框剪结构）进行分析。在进行结构设计时，如何控制好框架和剪力墙的刚度差异，使其构成为协调统一的整体，即框架和剪力墙的布置，加固措施等多方面探讨，以期获得更好的抗震效果，防止建筑物的倾覆。最后还简单介绍了一些能在框剪结构运用的抗震技术。1.框剪结构概述1.1基本设计原则（1）整体结构构件应遵守“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件、强底层柱（墙）”的原则。主要耗能构件不能是承受竖向荷载的主要构件。在同一层楼内主要耗能构件屈服后依然能够保证其它抗侧力构件处于弹性阶段，使“有效屈服”保持较长阶段，提高结构抗倒塌能力。（2）强烈地震往往伴随着许多次余震，尽可能设计多道防线，以免出现损失积累。有意识的设计一系列屈服区域，该部分主要耗能构件延性和刚度均要满足要求，使之吸收和消耗地震能量，提高建筑物抗震性能，避免倒塌。（3）抗震结构体系中不能出现刚度过强的部分，而各部分构件间应当由延性较好的结构构件连接，才能使结构整体协同作用，不至于先后破坏的情况出现。对于较薄弱环节应当适当采取加强措施，使之有足够变形能力又不会发生薄弱层转移。1.2框剪结构变形形式纯框架结构侧向刚度小，而地震作用力主要是横向荷载。在地震荷载作用下框架结构产生的侧移较大，尤其是底部层间位移大，难以满足国家抗震设计规范规定的弹性层间位移角限值[1]。在地震水平荷载作用下，框架结构具有一定的侧向刚度，能承受了一定的水平荷载作用，其变形曲线形成剪切型式，最大水平位移发生在建筑物底层。同样在水平力作用下，剪力墙相当于一段固结在地面的竖向悬臂结构，承受水平荷载时其变形曲线呈弯曲型，楼层越高水平位移增长速度越快，顶点为最大水平位移。在抗震设防等级较高的地区，仅仅依靠框架结构自身的侧向刚度承受地震水平荷载，难免会出现“肥梁胖柱”的现象，这样的结构设计既影响建筑的空间灵活性，同时又造成造价成本的浪费。而当两者协调作用于同一结构体系中时，通过楼板连接使得框架、剪力墙和谐的整合在一起，互相弥补各自的劣势，使得框架、剪力墙的变形形态呈现出弯剪型变形，其最大层间位移在结构的中部。这样的框架设计形式，在地震中，整体建筑物中底层剪力墙会承担80%以上水平向剪力[2]，以弯曲代替框架的剪切消耗地震能量，在高层中由框架作为抗侧力构件吸收剩余地震能量。下图为框剪结构结构变形形态示意图[3]：框剪结构结构变形形态示意图由上图可以看出，框剪结构变形中框架与剪力墙对结构的抗侧刚度的贡献是由高度来决定的。因此在框架抗震设计中需要考虑的一个因素即为剪力墙的中断问题。1.3框剪结构设计参数目前大部分论文中均提出应用刚度特性值λ，及框架刚度和剪力墙刚度的比值来代表。在忽略连梁的约束变形和轴向变形情况下，以如下公式表达[2]：wfEICH式中：H—建筑的总高程Cf—框架结构的水平刚度EIW—剪力墙的折算总抗侧刚度框剪结构刚度特性值是控制框架结构中剪力墙使用量的一个参数。当λ太小时，说明剪力墙使用过量，造成建筑物整体刚度过大，而延性较差。剪力墙并非越多越利于抗震，当剪力墙过多时，自振周期变大，会吸收更多的地震能量，不利于建筑物的稳定。同时剪力墙过多还造成造价成本上的经济损失。可见剪力墙的数量应当处于一个合理的限度。当然当λ太大时，剪力墙数量不足，失去了框剪结构设计的初衷，为保证抗震要求会造成框架柱横截面增大，同样造成材料浪费经济损失。根据实践证明，λ值控制在1.15和2.4之间较为合理[4]。此外，框架结构的“墙率”（指楼层剪力墙的截面面积占楼层总面积的比率）和“壁率”（平均每单位建筑面积上的剪力墙长度）也可以帮助我们衡量框剪结构中剪力墙数量是否合理。2.剪力墙抗震设计2.1剪力墙布置剪力墙的位置，截面尺寸，数量，形状都会影响剪力墙自身的刚度，而剪力墙刚度则对框剪结构整体抗侧力刚度起到决定性作用。前面已经讲到了剪力墙数量的影响，而另外一个主要影响因素即为剪力墙的布置位置。剪力墙布置的原则可以总结为：规则，对称，均匀，分散，周边多布，中间少布。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》，《建筑抗震设计规范》GB50011-2010等，均有对于框剪结构中剪力墙布置的规定，这里不一一赘述。但在设计参考时，实际中最需要把握的为以下几点要求：(1)均匀性：剪力墙一般布置在建筑物的外墙，电梯间，楼梯间，要纵横向均布置剪力墙，并保持各主要轴向的刚度接近，以提高建筑物的刚度。(2)分散性：地震中考虑地震力分散到多片刚度相似的剪力墙，而非集中在一个较小区域去消耗地震能量。(3)对称性：剪力墙布置尽量使结构的刚度中心尽量与质量中心相接近，缩小偏心距，以减弱地震时结构的扭转振动。2.2剪力墙加固措施（1）剪力墙设计中周边增加设置梁柱结构，形成边框剪力墙[5]。与梁柱交接处需要增设螺旋筋。首先可阻止斜向裂缝向邻近结构的扩展，另外也可以在剪力墙破坏后代替其承载。（2）单片剪力墙不易过长，利用洞口将剪力墙划分成双肢或者多肢，可以降低自身刚度，避免地震中底部墙体过早屈服。同时还可以控制裂缝和屈服部位出现的位置，形成一个耗能构件。但是注意避免墙肢长度突变和洞口上下没对齐的情况出现。（3）当剪力墙承载力或者刚度不足，可在剪力墙外围加钢筋，再浇筑混凝土将原剪力墙厚度增大，以达到加固的目的。但是需要注意其对相关梁、柱的影响和相邻楼层刚度的影响，应避免形成新的薄弱层。（4）剪力墙本身的缺陷之一为自重大，自振周期短，材料用量增加。对于短肢剪力墙，墙体间的洞口不安装门窗，一定要用砖或其他轻质材料填充，以减轻结构自重。（5）若建筑物存在层高变化的问题，设置底部加固措施会引起竖向受力和刚度变化，形成薄弱层。对于此可以考虑通过沿高度调整剪力墙的厚度和混凝土强度等级的方法，并进行反复试算以达到整体刚度均匀变化。2.3剪力墙设置合理性验算剪力墙结构的布置合理性，显然不仅仅是以满足弹性层间位移角限值作为唯一衡量标准。首先应合理选择周期范围，第一，二、三周期分别代表X方向,Y方向及扭转周期,范围参数值根据《全国民用建筑工程设计技术措施》作参考，范围内以周期长一点为佳，根据具体情况可超出范围作相应的调整。另外规范要求的剪重比也是衡量剪力墙构件抗侧力刚度的一项参数。还可以计算结构底层的剪力来验证剪力墙的布置，这点同样需要在框架结构中进行验算。3.框架构件的抗震设计3.1框架结构的布置在高层建筑中，框架结构的布置原则已经在实践中和理论中均得到较多的总结：一般规则归纳为“强柱弱梁”，“强剪弱弯”，“强节点弱构件”。当然超高层建筑拘泥于这种一般原则不一定是合理的，这里不做讨论。“强柱弱梁”简单说梁的破坏属于局部构件破坏，柱的破坏则会危及整个建筑物甚至导致坍塌。“强剪弱弯”则是说尽量使构件先发生弯曲延性破坏再发生剪切破坏，因为剪切破坏是脆性破坏，无法预见，瞬时发生，无法预防。“强节点弱构件”即节点的承载力应高于连接构件，因节点失效意味着与之相连的梁与柱都失效。对于具体抗震构造要求可参考《建筑抗震设计规范》GB50011-2010。对于梁，截面尺寸要保证不发生生斜裂缝破坏、斜压型脆性破坏。配筋率应保证梁的变形能力，箍筋的间距则关系到压筋是否会过早屈服。在较强地震作用过程中，纵筋可能处于交替拉、压状态下，根据试验结果，这时钢筋与其周围混凝土的粘结锚固性能将比单纯受拉时不利。对于柱，合理的截面尺寸和轴压比均是要保证结构的延性。纵向钢筋对称配置，绑扎接头应避开柱端的箍筋加密区。在地震力反复作用下，柱端箍筋保护层往往首先碎落，若无足够箍筋束缚，难以对核心混凝土起有效约束作用，提高配筋率可显著提升受压混凝土的极限压应变。3.2框架的加固措施本文所讨论的在框架结构中，在外围设置钢筋混凝土剪力墙结构，其本身就是对框架结构进行抗震加固的一种措施。下以下是对框剪结构体系中框架构件加固的方法：（1）框架结构是强调整体性的建筑结构。保持结构的整体性，最直接的方法是对框架角柱的加固。角柱是连接纵横梁柱的关键，角柱的加固同样对构件抗侧力刚度有所加强。（2）在结构中适当位置增加偏交斜撑等赘余构件，用弯曲耗能的形式代替轴变的耗能形式，其中折曲支撑可以利用钢纤维混凝土杆来制造，偏心连接支撑一般采用钢杆或者劲性钢筋混凝土杆构成[5]。当赘余构件因为形变而失去作用后，整体结构会发生稳定体系的变化，建筑自振周期随之改变，这样又避免了地震造成的建筑物的共振效应。（3）框架结构的特定位置设置塑性铰。塑性铰使得在地震中结构的水平构件首先屈服，然后才是竖向构件。这就是按照“强柱弱梁”的设计方法，通过塑性铰控制变形的位置、顺序、以及变形程度来形成一个较好的耗能构件以抵抗地震作用力。（4）对框架结构中梁和柱加固的形式非常多，总体归结为二类：一是通过调整构件截面面积来使构件的受力性能满足抗震需求。第二即使用钢筋或者纤维材料对梁或柱进行约束，可以是箍筋，也可以在构件外围通过围套或者粘贴的形式进行加固。实践中，所谓构件加固，还有可能并不是新设计构件，构件加固前本身已经承受有相应荷载，产生了应力应变，存在压缩变形，弯曲变形，即第一次受力；而当结构构件无法满足刚度要求等情况下，会在未卸载的情况下对构件进行加固。新增的加固，只有在荷载增加时，构件才开始受力，即为第二次受力[6]。破坏时，两者可能不会同时达到自身的承载能力极限，加固设计时需予以充分的考虑。3.3框架设置合理性验算框架结构所受水平剪力