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少量剪力墙框架结构在设计中的应用

【摘要】本文以实际工程为例,结合PKPM软件进行分析,分析结果表明在结构底部若干层楼电梯处设置少量剪力墙,能提高结构抗侧刚度,减小结构的层间位移角及位移比,降低扭转效应,改善结构抗震性能.并建议少量剪力墙框架结构分析计算中除应考虑剪力墙与框架的协同工作, 还应考虑按纯框架结构进行计算,最后框架部分取两种工况的包络值进行配筋设计.

【关键词】少量剪力墙；框架结构；层间位移角；位移比；包络设计

钢筋混凝土框架结构由于其灵活的空间分隔性,较好的经济性以及能就地取材的优点,在实际工程建设中得到了广泛应用,但有些框架结构体型较为特殊,经试算不能满足有关规范对于弹性层间位移角及位移比的要求,要加大梁柱截面较多才能实现体系位移的改善,经济性差.此时在合适的部位设置极少量的剪力墙,例如布置在结构刚度较弱处或楼、电梯间处,则较为容易实现对结构位移的把控.然而,对于含少量剪力墙的框架结构,我国《高层建筑混凝土结构设计规程（JGJ3-2010）》[1] 第8.1.3 条仅做了一般性规定,没有对具体的控制指标给予量化, 使得施工图设计、审查均无据可依.而《建筑抗震设计规范(GB50011—2010)》[2] 第6.2.13 条第四款中,也仅对框架部分地震剪力值的计算做出了规定.因此,本文仅结合实际的工程实例,浅谈少量剪力墙框架结构在设计中的应用.

1、对少量剪力墙框架结构的认识

设置少量剪力墙并没有改变结构形式,是带有少量剪力墙的框架结构,属于一种特殊的框架结构形式,但仍是框架结构.由于剪力墙较少,同时不是主要的抗侧力结构,在风荷载或者地震作用较小时,剪力墙辅助提供其弹性刚度EwIw,使得设置少量剪力墙后的框架结构能满足规范对框架结构的弹性层间位移角及位移比的要求.在设防烈度地震及罕遇地震时,基于刚度分配原则,剪力墙率先吸引了大部分的地震作用,使得剪力墙塑性开展,出现裂缝而刚度退化, 不能成为第一道抗震防线；同时由于剪力墙自身的刚度大,这就决定了剪力墙不可能成为第二道防线,故剪力墙只需满足“小震不坏”的要求.而在罕遇地震时,大震作用下剪力墙开裂刚度退化,使得框架和剪力墙之间的塑性内力重分布, 进而让框架成为主要抗侧力构件.此时虽然整体结构刚度有所削弱,受到的地震作用及吸收的地震能量也随之减少,但框架部分承担的地震作用反而有可能增大,在设计计算时需引起足够的重视,故对这类框架结构,建议必须先按纯框架结构进行计算,再考虑按框架与剪力墙协同工作进行计算,最终进行包络设计.

2、工程实例与分析

某办公楼为五层框架结构,结构高度约为23.2m,工程抗震设防类别为丙类, 位于福州市闽侯地区, 抗震设防烈度为7 度, 设计基本地震加速度为0.1g, 设计地震分组为第二组, 三类场地,一层及二层结构平面布置图如图1、2 所示,结构立面示意图如图3 所示.

设计两个方案进行比较研究,方案一：均布置普通框架梁柱.方案二：仅在一层和二层的1轴和7 轴楼梯间处布置剪力墙（详图1 及图2）,其余部位均布置普通框架梁柱.方案一和方案二均采用PKPM 软件电算.

上述两种方案经电算后,不同工况下最大层间位移角计算结果如表1,不同工况下最大层间位移与平均层间位移的比值计算结果如表2.

由表1 可知,纯框架方案和少量剪力墙框架方案的最大层间位移角都在Y 双向地震作用工况下,但两者相比,加了少量剪力墙后,最大层间位移角由1/673 降低至1/716,降低了6%.究其原因,由于设置了少量的剪力墙,提高了结构的抗侧刚度,改善了结构的抗震性能,故使得最大层间位移角减小.

由表2 可知,纯框架方案和少量剪力墙框架方案的最大层间位移与平均层间位移的比值都在Y- 偶然偏心地震作用工况下,但两者相比,加了少量剪力墙后,最大位移比由1.51 降低至1.37,降低了9.27%.而位移比与扭转效应有关,反映的是结构实际存在的扭转量,设置了少量剪力墙,降低了结构的扭转效应.究其原因,由图1 可知,本工程属于长宽比较大的长矩形平面,当长宽比超过一定数值时,结构的扭转效应便表现得比较明显,故本工程采用纯框架结构时,Y-偶然偏心地震作用工况下位移比不能满足规范要求,结构抗震性能很差.

3、结论与展望

本文通过论证,得出以下结论：一是少量剪力墙框架结构分析计算中除应考虑剪力墙与框架的协同工作, 还应考虑按纯框架结构进行计算,最后框架部分取两种工况的包络值进行配筋设计.二是仅需在结构底部几层设置少量剪力墙,便能提高结构抗侧刚度,减小结构的层间位移角及位移比,降低扭转效应,改善结构抗震性能.

对今后少量剪力墙框架结构的研究,笔者希望可通过试验对剪力墙的刚度退化规律进行研究,分析少量剪力墙框架结构层间位移角与刚度退化的关系,并将其应用到之后的结构分析中.

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