高层框架剪力墙结构设计中的几个问题-职称论文发表

高层框架剪力墙结构设计中的几个问题
付饶
【摘要】通过实际工程，把框架剪力墙结构在设计过程中容易出现的问题以及从力学基本原理出发分析、解决问题的方法，做一总结。本工程设计平面布置中，通过加强地下室顶板、洞口周边的框架梁的方式来保证结构的整体受力；竖向布置中，通过合理调整混凝土强度等级和柱子、剪力墙断面，做到自下而上刚度逐渐均匀减小，无突变。通过改变柱子、剪力墙断面的大小及减小楼板厚度，解决了结构的周期和位移问题；通过连梁的调整及在剪力墙上开结构洞口，解决了框架和剪力墙协同工作的问题。
【关键词】：框架剪力墙扭转弹性层问位移角超筋地震倾覆力矩
1 工程概况
某工程为地下1层(设备层)、地上20层的办公楼，东西长48．3 m、南北宽17．4 m，建筑高度79．8 m，建筑面积19268 m2。建筑平面成矩形，屋顶设有水箱间、电梯间、楼梯间。根据建筑高度及功能要求，本工程采用框架剪力墙结构形式。
2 基础的合理选择
2.1工程地质实况与基础设计
本工程场地为软弱土，场地进行过真空预压处理。勘测期间水位比较低，地下水考虑干湿交替状态下，对结构混凝土有中度腐蚀，对混凝土中钢筋有强腐蚀性。地震基本烈度为7度，设计基本地震加速度0．159，场地土类别Ⅳ类。
本工程±0．000高出室外地面0．60 m，地下室地面高程为一4．250 m。结构平面布置简单对称，受力比较均匀，基础采用独立桩基础加600 mm厚防水板。桩基采用4,800 mm的钻孑L灌注桩，摩擦型桩，单桩极限承载力标准值Q。。=3 900 kN，桩基安全等级为一级。
2.2 基本设计参数
本工程为丙类建筑，根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2001)(以下简称为《抗规》)第3．1．3、3．3．3、6．1．2条及《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2002)(以下简称为《高规》)第4．8．2条的规定，框架和剪力墙的抗震等级均为二级，并应按一级采取抗震构造措施。
3 结构布置的优化
3.1 结构平面布置
结构的平面布置较为简单，呈矩形布置。由于甲方对功能的要求，一层设有大面积共享空间，楼板扣除开洞后，距⑧轴的最小净宽度小于2m。根据《高规》第4．3．8条，采取了以下加强措施。
(1)将地下室顶板厚度设为180 mm，将第一、二结构层的楼面设为120 mm，并且都采取双层双向配置钢筋。
(2)将洞口周边的框架梁加宽，加强结构的整体性和抗扭刚度，减小地震作用下的扭转效应。
(3)计算中将第一结构层的楼板设置为弹性楼板。《高规》第8．1．7条要求剪力墙宜采用周边、对称的布置。但由于使用功能的要求，导致本工程剪力墙布置过于集中在建筑的两端，同时与剪力墙连接的楼板，多有设备管道留洞。为加强楼板的整体性，设备管线安装后均采用后浇混凝土封堵，确保结构整体受力。
3.2 结构竖向布置
本工程结构采用现浇钢筋混凝土框架剪力墙体系，竖向体型比较规则，局部1—4层外挑3．00 m。为了使结构的竖向刚度均匀变化，框架柱截面在第5层以下为950 mm×950 mm，第6层至第12层变为850 mm×850 mm，第13层至顶层为700 mm×700 mm。底部加强层为负一层到第3层，剪力墙厚为350 mm，第4～8层墙厚为300 mm，第9层到顶层为250 mm。墙、柱混凝土强度等级：地下一层到3层C45，4到14层C40，14层以上C35。以上调整力求做到自下而上刚度逐渐均匀减小，竖向抗侧力构件连续，承载力无突变。
4 框架柱和剪力墙的轴压比的理论设计与实际控制方法
本工程采用PKPM(SATWE)程序计算，其中计算过程中出现了一些问题，根据力学原理，对原有模型进行了调整，达到了满足规范的要求。
（1）初步计算后，扭转为主的第一周期r与平动为主的第一周期之比大予0．9，不满足《高规》第4．3．5条的规定。
通过力学分析，此种情况应调整抗侧力构件，加强周边竖向构件的刚度。于是结合建筑立面效果，将中间部位柱子的截面由950 mm×950 mm逐渐减小为700 mm×700 mm，将4个角柱的截面调整为950 mm×1 100 mm，且①轴与⑧轴上的边柱截面调整为850 mm×950 mm。通过以上这些调整，减小了中间构件的竖向刚度，增大了结构的平动周期，同时，端部竖向构件断面的增大，使其刚度也有显著增加，从而增大了结构的抗扭刚度，最终结果为t／T。=1．704 0／2．016 7=0．845，满足《高规》第4．3．5条的规定。
(2)初步计算后，单向水平地震作用下，结构弹性层间位移角大于规范要求的1／800，不满足《抗规》第5．5．1条的规定。本工程由于l，方向跨数(7．2 m+3．0 m+7．2 m)较少，且使用功能限制了y向墙体的数量，这是此方向地震位移不满足规定的主要原因。设计采取了以下措施：①在每个轴网内，做十字交叉次梁，减少楼板厚度，尽量减轻结构自重，以减少总的水平地震剪力；②由于高层结构在水平力的作用下几乎都会产生扭转，所以楼层平面处的位移差AU最大值一般在结构单元的边角部位。因此将这几层的①、⑧剪力墙截面保持到顶不变，增加结构的抗扭刚度，以尽量减小AU。
(3)连梁、一端与剪力墙连接的框架梁有严重超筋的现象。按《高规》第7．1．5条的规定，单片墙的墙肢截面高度不宜大于8 m，较长的墙体宜开洞后形成较均匀的若干墙段，采用弱连梁连接。计算中长度较大的墙会分担较大的地震剪力，超烈度地震时，容易首先遭受破坏，而短墙肢在计算后配筋小，很容易破坏，这对抗震来说是“各个击破”，而不是整体受力，这样对结构很不利。本工程由于轴网比较大，墙截面高度都大于8 m，因此除配合建筑在某些剪力墙开有门窗洞口外，在其他墙上开设了结构洞口，并用砌块后砌。这样也可保证剪力墙有足够的延性，提高整个结构的耗能能力，改善结构的抗震性能。在内力和位移的计算过程，由结构底部到总高度的1／3左右，剪力墙的侧移曲线
的转角较小，剪力墙提供了极大的刚度，负担了极大的荷载，因此连梁容易出现超筋现象。参见《高规》第7．2．25条，设计采取了以下措施：①尽量减小连梁高度；②尽可能的加大洞口的宽度；③连梁的刚度折减系数调整到0．55。
(4)注意框架部分承受的地震倾覆力矩。根据《高规》第8．1．3条的规定，在基本振型地震作用下，框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50％时，框架部分的抗震等级应按框架结构采用。框架承受的地震倾覆力矩可以按M。=m nΣE t，；，^；进行计算。本工程采用SATWE模型计算置耳。时，设有一层地下室，因此应读取地上一层的计算数据，其框架部分承担的地震倾覆力矩分别为：x向地震43．38％、Y向地震33．87％。由此可知，原设计假定——将框架抗震等级设为二级是正确的。
5 剪力墙连梁问题
与剪力墙相连的梁称为连梁。连梁一般具有跨度小，截面大，与连梁相连的墙体刚度又很大等特点。因此，高层建筑在水平力作用下，连梁的内力往往很大。设计时，即使采取了降低连梁内力的各种措施，如：加大剪力墙的洞口宽度；在连梁中部开水平缝，在计算内力和位移时对连梁刚度进行折减，对局部内力过大层的连梁内力进行调整等，仍无法使连梁的截面设计符合要求。由于设计规范对此没有明确规定，因此，设计时感到无所适丛。而设计、构造不当将会造成结构在抵抗水平力时的强度、刚度不符合要求，进而影响承受竖向荷载的能力。

6 结论
框架剪力墙结构在设计过程中应将概念设计和计算分析结合起来，根据初步计算的结果，不断的进行调整试算。遇到问题应从力学基本原理出发，仔细分析产生问题的原因，合理有效地解决设计中的问题。在整个平面布置中，剪力墙的布置是最关键的。在条件允许的情况下应尽量周边、对称的布置，这样才能做到刚度合理分配。并且应加强结构的关键部位和薄弱环节，减少不必要的墙体布置，从而使结构的刚度、位移角、周期比等满足规范的要求，达到结构方案安全、经济合理的要求。

参考文献
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