多层建筑剪力墙框架结构设计探讨.docx

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1、摘要：框架结构是公共建筑常采用的结构形式，在高烈 度地区往往因刚度缺乏导致层间位移角和扭转位移比难以 满足规范要求。现结合某综合商场模型，在角部设置少量剪 力墙形成少墙框架结构，以弥补纯框架结构的缺乏。同时， 结合以往学者阐述的少墙框架的设计原那么，通过比照纯框架 体系和少墙框架的抗震性能和经济指标，探究其工程应用的 可行性。关键词：少墙框架；高烈度；设计原那么；抗震指标；经 济指标1概述目前在建的住宅、办公楼、宿舍、学校教学楼、大型综 合体等建筑物中，大多采用多层框架结构体系。在抗震设防 烈度为6度地区的多层钢筋混凝土框架结构的截面设计主 要由轴压比决定，而在7度（III类场地）或8度地区主

2、要是 由层间位移角控制。结构设计要满足位移角要求只有提高材 料强度，加大梁柱截面尺寸，而过大的梁柱截面尺寸除给建 筑使用带来不便，更直接的是“高梁宽柱”给建设单位造成 设计保守、浪费的印象，甚至对设计单位的声誉和后续工程 的合作也造成了一定的影响。剪力墙构件本身侧向刚度较大, 能有效抵抗结构水平力，在水平力作用下侧向变形很小。高 烈度的框架结构中设置少量的剪力墙，组成少墙框架结构， 在纯框架结构体系无法满足规范对位移控制要求时，充分发 挥剪力墙的侧向刚度，减少水平位移，改善框架的抗扭转性 能，从而在不加大梁柱截面尺寸情况下满足规范要求，也符 合建设单位经济、平安的设计需求；但是，目前对于少墙框

3、 架的设计原那么并不明确，在实际工程当中的应用甚少。在少 墙框架设计中，层间位移角的限值未有明确规定，建筑抗震 设计规范(GB50 0 1 1 20 1 0 )条条文说 明提出：框架结构布置的少量剪力墙需按框架局部承当倾覆 力矩的多少来确定层间位移角限值，其限值按框架的1 / 5 5 0和框架一剪力墙的1 / 8 0 0两者之间偏于平安内插 ：1 :o有学者经过模型分析发现，底层剪力墙局部承当的地 震倾覆力矩随墙肢的增长而增大，相应层间位移角虽减小但 是减小幅度并不明显，按线性内插来分级控制层间位移角很 难满足2。同时朱炳寅提出，少墙框架的层间位移角仍可 按1 / 5 5 0限制3 ,而此限值

4、也对剪力墙的数量也做出 了新的要求。剪力墙和框架存在协同作用，剪力墙布置过多 会使其承当更大的地震抗倾覆力矩，往往会造成剪力墙超筋, 如果按框架一剪力墙进行包络设计，会使少量的剪力墙承当 第一道抗震防线的任务3-4。程熙等人5提出，可 以允许剪力墙出现一定的开裂，随层间位移角的增加，其抗 侧刚度出现一定的退化，各楼层的最大层间位移角限值仍应 满足框架结构的最小限值，并因此判断少墙框架结构体系仍 属于框架结构体系。结合以往学者的工程实例研究68 ,少墙框架可以有效减小结构侧向位移，提高结构的抗扭性能。 杨树标等人9认为多层框架结构体系的破坏主要是由其 中的框架局部引起的，通过分析不同地震程度下结

5、构层间位 移角以及塑性较的变化情况，发现少墙框架体系的抗震效果 明显优于纯框架结构体系。本文通过对已有研究的理解与分 析，结合工程实例来探讨少墙框架结构在工程实际中的应用。2少墙框架结构的设计原那么2. 1剪力墙布置的数量和肢长剪力墙沿建筑物的全高设置，否那么会引起建筑竖向的刚 度突变。在反复的试算过程中要把握住“少数”的定义，假设 剪力墙布置太少，那么难以发挥剪力墙的结构特性，没有到达 设置剪力墙的目的；假设布置太多，那么违背了少墙框架设置的 初衷，结构体系不够明确。为了使少量剪力墙不处于“第一 道防线”地位，需对其抗倾覆力矩占比作出要求，本文以高 规1 0 8,1.3规定的框架承受大于8

6、0 %地震倾覆弯矩 作为少墙标准。关于剪力墙肢长要求，有学者6 7考虑 剪力墙设置过长会使剪力墙局部吸收的地震能量过多，均将 剪力墙设为短肢剪力墙。但是短肢剪力墙存在反弯点，会减 弱在框架中对层间位移角的控制。本文考虑到布墙位置使用 功能不做肢长要求。2. 2剪力墙布置位置框架结构多用于公建，如果将剪力墙布置在结构中部, 往往难以选择合理落点，同时剪力墙布置在结构内部会增加 内部刚度而不利于抗扭。有学者经验证提出，中部布置少量 剪力墙可能会对结构体系的振动产生不利影响7 o框架结 构侧向位移最大的部位均出现在角部，且考虑到加强结构刚 度、弱化内部刚度利于周期比的调控，本文将剪力墙布置在 框架角

7、部，形成带边框剪力墙，并在两主轴方向双向布置。 此时剪力墙构造上要考虑与周边构件的连接，便于其损坏后 修补。2. 3剪力墙的配筋对于框架抗倾覆力矩占比大于8 0 %的少墙框架，框架 的抗震等级按纯框架结构确定；剪力墙抗震等级可与其框架 局部抗震等级相同。朱炳寅提出，将结构分别进行纯框架结 构和框架一剪力墙结构计算，取两者较大值进行框架局部的 配筋，即包络设计，剪力墙不考虑计算结果，按构造配筋设 计3 。此做法考虑了框架一剪力墙的协同作用，也兼顾了 少量剪力墙是用于调节位移角的本质。也有学者提出，先对 框架结构进行建模计算（按纯框架结构计算），使承载力满足 要求而位移角不做控制，获得框架的截面和

8、配筋，而后布置 剪力墙控制位移角，配筋按构造配筋设置12,这一设计 做法将框架和剪力墙完全分割，充分表达了剪力墙取用只是 用于提高结构整体刚度、控制层间位移角，不起“第一防线” 作用。同时，这两种配筋设计中，剪力墙的做法均会使结构 的剪力墙局部在罕遇地震作用时退出工作。本文选取前者做 法进行设计计算，建立了三种类型框架结构体系：框架结 构1 （纯框架体系）、少墙框架、框架结构2 （将少墙框 架中的剪力墙删除，并将墙体自重以线荷载形式加到框架结 构上），并对结构形式进行抗震指标和经济指标的比照 分析，用于验证大震下结构的弹塑性位移角限值以及小 震时框架包络设计的配筋验算。3工程概况本工程为一综合

9、商场，商场由4个单体组成，单体尺寸 1 5 4 m X 1 3 0 mo地下1层，层高5.1m；地上4层, 首层层高5.7m, 24层层高5.2 m,大局部柱网间距为 9 mX 1 0 m0本工程抗震设防烈度为7度（0 . 1 5 g ）,乙 类建筑，场地类别为ni类场地，地面粗糙度为b类，基本风 压为0.4 5 kN/m2。结构设计时增设了抗震缝，本文以抗震缝左侧单体为例。框架和剪力墙的抗震等级均为二级, 结构分析时，先建立纯框架结构体系作为基础模型，保证其 梁柱满足承载力要求，层间位移角暂不作控制，而后作如下 处理：1）在基础模型上加大梁柱截面使其位移角满足规范 要求，并取得截面和配筋，构

10、成框架结构1。2）在基础模 型上布置剪力墙控制层间位移角，将结构分别进行纯框架结 构和框架一剪力墙结构计算，配筋按包络设计确定，构成少 墙框架。3）将构成的少墙框架体系中的剪力墙以线荷载形 式施加于梁柱上，以确定其大震下的位移角，构成框架结构 2 o最终的剪力墙配筋均按构造配置。剪力墙均布置在各区 域角部，墙厚取2 0 Omm, X向墙长1 4 0 0 mm, Y向 墙长1 5 5 0 mm,墙体布置见图1。4计算分析采用YJK建模分析，模型具体信息见表1.由表可知 少墙框架结构的梁柱截面小于纯框架结构的设计尺寸，基本 满足建筑专业对建筑物室内空间的使用要求。少墙框架模型 中框架的X、Y向所占

11、地震倾覆力矩分别为8 1.9 %和8 0. 7%,均大于8 0%,满足本文少墙标准。通过基础模型和 少墙框架比照，可以发现少量剪力墙的设置有效减小了结构 的层间位移角，满足了 1 / 5 5 0的限值要求，见表2。同 时，在框架结构1和少墙框架的层间位移角相差很小的情况 下，少墙框架的周期比降低明显，充分发挥了其抗扭转性能, 进一步说明本文少量剪力墙的布置具有一定的合理性。通过 对大震下框架结构2的计算分析，发现其X、Y向的层间位 移角均不大于1 / 5 0,这符合实际工程设计中少墙框架的 位移控制原那么。本文只对梁、柱、墙的的材料用量进行统计， 与框架结构1相比，少墙框架的材料造价只增加1 .0 %,经济上并未造成浪费。5结语1）通过某高烈度地区综合商场的实例分析发现，在纯 框架结构难以满足层间位移角的限值时，少墙框架结构可以 有效解决限值要求，并防止了 “肥梁胖柱”的出现，较小的 梁柱截面更符合建筑对空间功能的使用要求。2）通过框架 的抗倾覆力矩比不大于8 0 %控制剪力墙的布置数量，当剪 力墙在角部均匀布置时，少墙框架结构可以展现比纯框架结 构更有效的抗扭性能。3）在控制位移比相近的情况下，相 较于纯框架结构，少墙框架的设置并未在经济上造成浪费。