高层框架剪力墙结构抗震设计分析

高层框架剪力墙结构抗震设计分析

苏志荣

陕西中正华泰工程技术有限公司719000

摘要:框架剪力墙结构亦被称为框剪结构,它对竖向布置繁杂或平面、水平荷载较大的高层建筑十分适用。框架剪力墙的性价比较高,因此在国内有很广泛的应用。本文主要分析了高层框架剪力墙结构在抗震设计中技术要点。

关键词:高层建筑;框架-剪力墙结构;抗力特性;

引言

框架剪力墙结构由于兼备框架和剪力墙的特征,在高层建筑中得到了广泛应用。如何提高框剪结构的抗震性能,也成为建筑领域的研究重点,其焦点就是如何将剪力墙与框架结构的形变特征和谐起来,使得建筑在地震中体现出框架和剪力墙的结构优势,抵抗地震产生的破坏。

1、框架剪力墙抗力特性

1.1框架和剪力墙的受力特征

高层建筑框架结构的形变,呈现出来的往往是剪切型的特征,位移越高其变化越慢,曲线形式为开口型,即形变曲线为剪切型。纯框架结构的建筑中期形变曲线都是类似的。所以,水平的受力会按照各个框架的抗推刚度D比例分配。而剪力墙的位移曲线所呈现的是悬臂弯曲梁的特征,位移越高其增大的速度越快,呈现出来的是弯形开口的曲线。在平面范围内具备很大的抗弯曲强度,在普通的剪力墙结构中,所有抗侧力的建筑构件受力侧移的曲线均相似,即水平的力在各个剪力墙之间按照等效的刚度EI来分配。

1.2框架剪力墙的受力特征

在框架-剪力墙建筑结构中,通过平面内无限大刚度的楼盖将框架和剪力墙连接在一起,使其形成了一个网络结构,共同抵抗水平向的侧应力,不会单独受到各种弯曲变形或者剪切变形的影响,框架-剪力墙在同一个楼层的位移是基本相同的。因此,框架-剪力墙结构在水平面内的位移呈现出来的特征是介于框架与剪力墙之间的形态,为反S型的曲线,即弯剪型。所以,在框架-剪力墙结构中,剪力墙在下部的层面形变较小,承担了80%以上的水平向剪力,而在高层建筑的上部,框架结构的形变较小,可以协助剪力墙进行作用,抵抗剪力墙的外拉式的形变,从而承受更大的水平剪切力。可见,框架-剪力墙结构实际上就是综合了框架和剪力墙这两种结构的优势,有效地协调了水平的形变,从而达到减小结构性形变的效果,增强了结构的侧向刚度,提高了建筑的抗震能力,在高层建筑的结构设计中适用性较好。

2、高层框剪结构抗震设计的技术要点

2.1提高剪力墙的抗震能力

(1)在设计过程中,在剪力墙的周围增加梁柱结构,形成边框剪力墙。这样可阻止斜向的裂缝不会向邻近的结构扩展,也可以在剪力墙遭到破坏后代替其承载。这里增加的边框结构应具备斜截面的承载能力,以抵抗剪力墙开裂后对梁柱施加的附加剪应力。

(2)合理的肢墙面积。这种方法的思路是将肢墙的面积变小,利用结构形式使其形成多肢墙或者双肢墙,可以控制裂缝和屈服部位出现在结构竖缝和洞口的连梁位置,形成一个耗能的结构。而且这样的剪力墙可以降低刚度,避免在地震时发生剪切破坏和底部墙体过早屈服。

2.2改善框架的抗震能力

(1)对框架结构的角柱进行强化。角柱是连接横纵框架的关键,要增加框架结构的整体性,就需要增强角柱的抗剪能力。

(2)在外围框架的平面内设计一定数量的钢筋混凝土剪力墙墙板,这样可以有效地克服框架的剪力滞后的情况,提高框架结构的整体性和抵抗推力的刚度,减少整体结构的侧向移动,特别是层间的位移,其形式为K或者X型。但是,应注意这样的结果是延性较差,如果在墙板上适当地设计十字开口,人为地使之出现结构薄弱部位,形成延性的耗能墙板,则更加有效。

(3)在结构中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。在强烈的地震中,一方面可以利用这些赘余的杆件来实现先行屈服和形变消耗地震能量;另一方面,当这些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,而诱发建筑自振周期的改变,可以避免地震造成的建筑物的共振效应。

2.3改善整体抗震能力

(1)设计中采用机构控制达成总体屈服效果。在框剪结构中的特定位置,设置一定数量的“塑性铰”,实现对塑性铰发生位置、次序、形变程度的控制,使结构在地震时形成较好的耗能机构。在水平向力的作用中,水平的构件首先屈服,然后才是竖向构件。

(2)平衡结构刚度和承载能力。在框架-剪力墙结构中,剪力墙的数量增多,体积增大,刚度也会随之增加。但是,这就会使结构的自振周期变小,总体水平地震作用加大;反之,结构的刚度就会减小,地震力作用也就变小。因此,在设计过程中,应当根据建筑的基本情况来综合考量,将建筑的设防烈度、高度、装修等级等内容考量在内,以确定结构允许的位移的最大限值,从而确定剪力墙的数量和体积,保证经济和安全并重。

(3)刚度与延性的和谐统一。框架与剪力墙结构在刚度和弹性限值、延性系数等方面都存在着一定的差异,这就给框剪结构抗震性能的提升制造了难题。理论上,框剪结构会出现各个构件不能协调性发挥作用,而出现先后破坏、各个击破的情况,这就大大降低了结构中各个构件的有效性和抗震的可靠程度。所以,在设计中应将各个构件协调起来,使刚度与延性和谐统一,以此保证建筑的抗震需求。

3、结语

框架-剪力墙结构之所以在建筑中得到了广泛应用,就是因为其结构的互补性。合理的设计可以使其突出框架和剪力墙的结构优势,提高高层建筑的抗震能力,而设计的关键则是剪力墙数量和形式的使用。因此,在实际的设计中,应遵循结构均匀、承载分散、把握节点等原则,来确定框架和剪力墙的使用比例和形式,以此来保证框剪结构在高层建筑抗震中起到应有的作用。

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