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摘要:框剪结构由于具有广泛的适用性和良好的抗震性能，在我国的高层建筑中得到了大量应用。本文通过框剪结构的受力特性对框剪结构进行分析探讨。
关键词:高层建筑, 框架--剪力墙,剪力墙数量, 结构设计
Abstract: The frame structure has broad applicability and good seismic performance; there are a large number of applications in China's high-rise buildings. Force characteristics of the frame structure analyzing and discussing the frame structure.Key words: high-rise buildings, frame - shear wall, shear number, structural design
中图分类号 : TU2文献标识码： A 文章编号：
引言
随着经济的发展。现代都市的城市化建设得到长足发展.高层建筑在城市土地日益紧张的今天更是得到了投资者的青睐。在高层建筑中, 剪力墙结构因其结构刚度大、空间整体性好, 在水平力作用下侧向变形小, 有利于避免设备管道与非结构构件的破坏, 因而得到了广泛的应用。本文将着重探讨影响剪力墙用量的因素, 提出了如何确定剪力墙合理用量的建议, 可供设计中参考采用。同时,讨论了在竖向荷载作用下框架--剪力墙结构的水平作用效应问题。
1、框架--剪力墙结构的受力特性
框架结构的变形特性具有剪切型的特点,位移越往上增大越慢,呈内收形开口曲线, 其变形曲线为剪切型(见图1)，在纯框架结构中,所有框架的变形曲线都是类似的,所以,水平力按各框架的抗推刚度 D 比例分配。剪力墙结构的位移曲线具有悬臂弯曲梁的特征,位移越往上增大越快, 呈外弯形开口曲线(见图2) 。在平面内有很大的抗弯曲刚度, 在一般剪力墙结构中, 所有抗侧力构件剪力墙的侧移曲线都是类似的, 水平力在各片剪力墙之间按其等效刚度 EI 比例分配。而在框架--剪力墙结构中,框架和剪力墙之间通过平面内刚度无限大的楼盖连接在一起共同抵抗水平力,以至于它们不能单独按各自的弯曲变形或剪切变形而自由变形,它们在同一楼层的位移必须相等(在不考虑扭转的情况下)。因此,框--剪结构水平位移特征处于框架和剪力墙之间,为反 S形曲线,是弯剪型(见图3)。
图1、框架单独侧移图2、剪力墙单独侧移
图3、框架剪力墙共同工作
因此,在框--剪结构中, 剪力墙在下部楼层变形小, 承担了近80%以上的水平剪力,而在上部楼层, 框架变形小, 可以协助剪力墙工作, 抵挡剪力墙的外拉变形, 从而承受很大的水平剪力。所以,框 剪结构是框架和剪力墙两种结构水平变形的有机协调,从而达到减少结构变形, 增强结构侧向刚度, 提高结构抗震能力的目的,在结构设计中具有很强的适用性。
框--剪结构中框架、剪力墙的受力特性可以用结构刚度特性值, 即框架刚度与剪力墙刚度的比值来表达。若忽略连梁约束和轴向变形的影响,有:
（1）
其中, H 为建筑总高度; Cf 为框架平均总刚度; EIw 为剪力墙折算总抗侧刚度。
工程实践表明:1)λ过小, 即框架的总剪力刚度与剪力墙弯曲刚度的比值很小, 结构变形曲线呈弯剪型, 也就是说剪力墙用量过多,此时, 结构刚度增大,自振周期缩短, 地震力相应增加, 结构延性降低, 尤其对框架顶部几层极为不利。一般来说,剪力墙数量增多对抗震有利, 但超过必要限度也是不合理和不经济的,为了使框架充分发挥作用,剪力墙刚度不宜过大,应使λ≥1.15。2) λ过大, 即框架的总剪力刚度与剪力墙弯曲刚度的比值很大,结构变形曲线呈剪弯型, 也就是说剪力墙用量过少, 结构刚度较差,常不满足变形要求, 同时,框架受力过大, 梁柱截面尺寸加大,导致不经济,因此, 剪力墙刚度不能过小,应使λ≤ 2. 4。
2、影响剪力墙数量的因素
1) 剪力墙的用量与框 剪结构的平面布置有关。剪力墙是框--剪结构中主要抗侧力构件, 一般按照“均匀、对称、分散、周边”的原则布置。
2)剪力墙的用量与结构自振周期密切相关,结构自振周期随剪力墙刚度增大而变短, 对于比较正常的框--剪结构, 结构自振周期大致为:
T1= ( 0. 08~ 0. 12)n（2）
T2= ( 1/ 3~ 1/ 5) T 1（3）
T3= ( 1/ 5~ 1/ 7) T 1（4）
其中, T 1, T 2, T 3 分别为结构第 1, 2, 3 自振周期; n 为建筑物总层数。
3)剪力墙用量与结构地震力大小直接相关。结构总水平地震作用随剪力墙刚度的增大而加大, 对于截面尺寸、结构布置都比较正常的结构,其底部剪力大约在下述范围内:
7度Ⅱ类场地土: Fek≈( 0. 015- 0. 03) G （5）
8度Ⅱ类场地土: Fek ≈ ( 0. 03- 0. 06) G （6）
其中, Fe k为结构底部地震剪力标准值; G 为结构总重量。
当结构底部剪力小于上述数值时, 宜适当增加剪力墙用量,提高结构刚度, 适当增大地震力以保证安全; 反之, 地震力过大,宜适当减少剪力墙用量,以求得合适的经济技术指标。
4) 在确定剪力墙用量时,必须考虑框架刚度。框--剪结构中,框架和剪力墙是通过平面内刚度无限大的楼盖来共同作用的, 由于楼盖在水平力作用下会有一定的变形, 使刚度较小的框架承受的实际水平力较计算值大。此外, 框架是框--剪结构抵抗地震力的第二道防线, 有必要提高其设计地震力,结构设计时, 应有必要的强度储备。因此,在地震力作用下, 要求框架剪力:
Vf ≥ 0.2 V0 (7)
Vf ≥1.5 Vf max(8)
其中, Vf 为全部框架柱的总剪力; V0为结构的底部剪力; Vf max为框架柱的最大楼层剪力。
当 Vf < 0.2 V0时,说明框架抗剪刚度不足, 应加大框架梁柱截面。当 Vf > 0. 4 V0 時,说明框架抗剪刚度过大,宜减少框架梁柱截面。
3、剪力墙合理数量的确定
根据框--剪结构刚度特征值有:
所以
（9）
其中, EIw为剪力墙总刚度;EcIc为框架柱总刚度;n为建筑物总层数;h为建筑物层高; α为框架节点转动系数,底层柱α= (0.5+i)/(2+ i),i为框架节点梁柱线刚度比。
建筑平面确定后,根据构件刚度、强度和柱最大轴压比限值要求, 通过预估楼面荷载从而确定梁柱截面尺寸。因此, 框架柱总刚度 EcIc、框架节点转动系数α 便可算得。根据框--剪结构的受力特性,要求1.15≤λ≤2.4。这样,把上述数据代入公式, 便可求得所需剪力墙的总刚度 EIw ,从而求得剪力墙的合理用量。
4、框架--剪力墙结构的水平作用效应问题
在高层建筑结构设计中, 随着建筑物高度的增加,竖向荷载的作用逐渐退居次要地位,而水平荷载作用则上升为主要的控制地位。工程实践发现,框架在竖向荷载作用下产生的最大层剪力数值较大,水平位移值也较大。因此,在框--剪结构设计中,竖向荷载作用下的水平作用效应也应予综合考虑。1)应尽量减少竖向荷载的偏心作用对结构产生的不利影响。由于框架的轴向变形引起的水平位移与剪力墙弯曲变形引起的水平位移不一致,使框架和剪力墙之间存在着相互作用的水平力,从受力的角度分析,若忽略了竖向荷载所引起的框架与剪力墙间的水平力变化,对剪力墙来说是偏于安全的,而对于框架来说是偏于不安全的。2)结构计算时,不同的加载模式对结构内力有一定的影响。因此,设计时应根据加载情况对构件截面及内力予以调整。
5、结语
1)在框架--剪力墙结构设计中,剪力墙刚度的确定除了必须满足强度条件外, 还必须使结构具有一定的侧向刚度。因此,剪力墙刚度的大小将直接影响到结构的安全性及工程造价。在框--剪结构初步设计阶段,简捷、正确地确定框剪结构中剪力墙最优数量,不但可避免重复、繁琐的结构刚度调整计算,还可以达到经济的目标。2)工程实践发现,框架在竖向荷载作用下产生的最大层剪力数值较大, 水平位移值也较大。因此,在框架--剪力墙结构设计中,竖向荷载作用下的水平作用效应也应予综合考虑。
参考文献:
[1]赵西安. 钢筋混凝土高层建筑结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社, 1992.
[2]JGJ 3-91,钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规范[S].
[3]王治平.钢筋混凝土框架--剪力墙抗震性能研究[J].西安冶金建筑学院学报,1992(3):55-58.
[4]陈泽钊.某超限高层框支剪力墙结构减震分析[J].山西建筑,2008,34(9): 92-93.
关键词:高层建筑, 框架--剪力墙,剪力墙数量, 结构设计
Abstract: The frame structure has broad applicability and good seismic performance; there are a large number of applications in China's high-rise buildings. Force characteristics of the frame structure analyzing and discussing the frame structure.Key words: high-rise buildings, frame - shear wall, shear number, structural design
中图分类号 : TU2文献标识码： A 文章编号：
引言
随着经济的发展。现代都市的城市化建设得到长足发展.高层建筑在城市土地日益紧张的今天更是得到了投资者的青睐。在高层建筑中, 剪力墙结构因其结构刚度大、空间整体性好, 在水平力作用下侧向变形小, 有利于避免设备管道与非结构构件的破坏, 因而得到了广泛的应用。本文将着重探讨影响剪力墙用量的因素, 提出了如何确定剪力墙合理用量的建议, 可供设计中参考采用。同时,讨论了在竖向荷载作用下框架--剪力墙结构的水平作用效应问题。
1、框架--剪力墙结构的受力特性
框架结构的变形特性具有剪切型的特点,位移越往上增大越慢,呈内收形开口曲线, 其变形曲线为剪切型(见图1)，在纯框架结构中,所有框架的变形曲线都是类似的,所以,水平力按各框架的抗推刚度 D 比例分配。剪力墙结构的位移曲线具有悬臂弯曲梁的特征,位移越往上增大越快, 呈外弯形开口曲线(见图2) 。在平面内有很大的抗弯曲刚度, 在一般剪力墙结构中, 所有抗侧力构件剪力墙的侧移曲线都是类似的, 水平力在各片剪力墙之间按其等效刚度 EI 比例分配。而在框架--剪力墙结构中,框架和剪力墙之间通过平面内刚度无限大的楼盖连接在一起共同抵抗水平力,以至于它们不能单独按各自的弯曲变形或剪切变形而自由变形,它们在同一楼层的位移必须相等(在不考虑扭转的情况下)。因此,框--剪结构水平位移特征处于框架和剪力墙之间,为反 S形曲线,是弯剪型(见图3)。
图1、框架单独侧移图2、剪力墙单独侧移
图3、框架剪力墙共同工作
因此,在框--剪结构中, 剪力墙在下部楼层变形小, 承担了近80%以上的水平剪力,而在上部楼层, 框架变形小, 可以协助剪力墙工作, 抵挡剪力墙的外拉变形, 从而承受很大的水平剪力。所以,框 剪结构是框架和剪力墙两种结构水平变形的有机协调,从而达到减少结构变形, 增强结构侧向刚度, 提高结构抗震能力的目的,在结构设计中具有很强的适用性。
框--剪结构中框架、剪力墙的受力特性可以用结构刚度特性值, 即框架刚度与剪力墙刚度的比值来表达。若忽略连梁约束和轴向变形的影响,有:
（1）
其中, H 为建筑总高度; Cf 为框架平均总刚度; EIw 为剪力墙折算总抗侧刚度。
工程实践表明:1)λ过小, 即框架的总剪力刚度与剪力墙弯曲刚度的比值很小, 结构变形曲线呈弯剪型, 也就是说剪力墙用量过多,此时, 结构刚度增大,自振周期缩短, 地震力相应增加, 结构延性降低, 尤其对框架顶部几层极为不利。一般来说,剪力墙数量增多对抗震有利, 但超过必要限度也是不合理和不经济的,为了使框架充分发挥作用,剪力墙刚度不宜过大,应使λ≥1.15。2) λ过大, 即框架的总剪力刚度与剪力墙弯曲刚度的比值很大,结构变形曲线呈剪弯型, 也就是说剪力墙用量过少, 结构刚度较差,常不满足变形要求, 同时,框架受力过大, 梁柱截面尺寸加大,导致不经济,因此, 剪力墙刚度不能过小,应使λ≤ 2. 4。
2、影响剪力墙数量的因素
1) 剪力墙的用量与框 剪结构的平面布置有关。剪力墙是框--剪结构中主要抗侧力构件, 一般按照“均匀、对称、分散、周边”的原则布置。
2)剪力墙的用量与结构自振周期密切相关,结构自振周期随剪力墙刚度增大而变短, 对于比较正常的框--剪结构, 结构自振周期大致为:
T1= ( 0. 08~ 0. 12)n（2）
T2= ( 1/ 3~ 1/ 5) T 1（3）
T3= ( 1/ 5~ 1/ 7) T 1（4）
其中, T 1, T 2, T 3 分别为结构第 1, 2, 3 自振周期; n 为建筑物总层数。
3)剪力墙用量与结构地震力大小直接相关。结构总水平地震作用随剪力墙刚度的增大而加大, 对于截面尺寸、结构布置都比较正常的结构,其底部剪力大约在下述范围内:
7度Ⅱ类场地土: Fek≈( 0. 015- 0. 03) G （5）
8度Ⅱ类场地土: Fek ≈ ( 0. 03- 0. 06) G （6）
其中, Fe k为结构底部地震剪力标准值; G 为结构总重量。
当结构底部剪力小于上述数值时, 宜适当增加剪力墙用量,提高结构刚度, 适当增大地震力以保证安全; 反之, 地震力过大,宜适当减少剪力墙用量,以求得合适的经济技术指标。
4) 在确定剪力墙用量时,必须考虑框架刚度。框--剪结构中,框架和剪力墙是通过平面内刚度无限大的楼盖来共同作用的, 由于楼盖在水平力作用下会有一定的变形, 使刚度较小的框架承受的实际水平力较计算值大。此外, 框架是框--剪结构抵抗地震力的第二道防线, 有必要提高其设计地震力,结构设计时, 应有必要的强度储备。因此,在地震力作用下, 要求框架剪力:
Vf ≥ 0.2 V0 (7)
Vf ≥1.5 Vf max(8)
其中, Vf 为全部框架柱的总剪力; V0为结构的底部剪力; Vf max为框架柱的最大楼层剪力。
当 Vf < 0.2 V0时,说明框架抗剪刚度不足, 应加大框架梁柱截面。当 Vf > 0. 4 V0 時,说明框架抗剪刚度过大,宜减少框架梁柱截面。
3、剪力墙合理数量的确定
根据框--剪结构刚度特征值有:
所以
（9）
其中, EIw为剪力墙总刚度;EcIc为框架柱总刚度;n为建筑物总层数;h为建筑物层高; α为框架节点转动系数,底层柱α= (0.5+i)/(2+ i),i为框架节点梁柱线刚度比。
建筑平面确定后,根据构件刚度、强度和柱最大轴压比限值要求, 通过预估楼面荷载从而确定梁柱截面尺寸。因此, 框架柱总刚度 EcIc、框架节点转动系数α 便可算得。根据框--剪结构的受力特性,要求1.15≤λ≤2.4。这样,把上述数据代入公式, 便可求得所需剪力墙的总刚度 EIw ,从而求得剪力墙的合理用量。
4、框架--剪力墙结构的水平作用效应问题
在高层建筑结构设计中, 随着建筑物高度的增加,竖向荷载的作用逐渐退居次要地位,而水平荷载作用则上升为主要的控制地位。工程实践发现,框架在竖向荷载作用下产生的最大层剪力数值较大,水平位移值也较大。因此,在框--剪结构设计中,竖向荷载作用下的水平作用效应也应予综合考虑。1)应尽量减少竖向荷载的偏心作用对结构产生的不利影响。由于框架的轴向变形引起的水平位移与剪力墙弯曲变形引起的水平位移不一致,使框架和剪力墙之间存在着相互作用的水平力,从受力的角度分析,若忽略了竖向荷载所引起的框架与剪力墙间的水平力变化,对剪力墙来说是偏于安全的,而对于框架来说是偏于不安全的。2)结构计算时,不同的加载模式对结构内力有一定的影响。因此,设计时应根据加载情况对构件截面及内力予以调整。
5、结语
1)在框架--剪力墙结构设计中,剪力墙刚度的确定除了必须满足强度条件外, 还必须使结构具有一定的侧向刚度。因此,剪力墙刚度的大小将直接影响到结构的安全性及工程造价。在框--剪结构初步设计阶段,简捷、正确地确定框剪结构中剪力墙最优数量,不但可避免重复、繁琐的结构刚度调整计算,还可以达到经济的目标。2)工程实践发现,框架在竖向荷载作用下产生的最大层剪力数值较大, 水平位移值也较大。因此,在框架--剪力墙结构设计中,竖向荷载作用下的水平作用效应也应予综合考虑。
参考文献:
[1]赵西安. 钢筋混凝土高层建筑结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社, 1992.
[2]JGJ 3-91,钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规范[S].
[3]王治平.钢筋混凝土框架--剪力墙抗震性能研究[J].西安冶金建筑学院学报,1992(3):55-58.
[4]陈泽钊.某超限高层框支剪力墙结构减震分析[J].山西建筑,2008,34(9): 92-93.