框剪结构结构设计经验之谈.doc

框架剪力墙结构由密柱高梁空间框架或空间剪力墙所组成在水平荷载作用下起整体空间作用的抗侧力构件适用于平面或竖向布置繁杂水平荷载大的高层建筑众所周知框架结构的变形是剪切型上部层间相对变形小下部层间相对变形大剪力墙结构的变形为弯曲型上部层间相对变形大下部层间相对变形小对于框剪结构由于两种结构协同工作变形协调形成了弯剪变形从而减小了结砍的层间相对位移比和顶点位移比使结构的侧向刚度得到了提高一水平荷载主要由剪力墙承受从受力特点看由于框剪结构中的剪力墙侧向刚度比框架的侧向刚度大得多在水平荷载作用下一般情况下约以上用剪力墙来承担因此使框架结构在水平荷载作用下所分配的楼层框架剪力墙结构兼具了框架布置灵活延性好和剪力墙刚度大的优点二者通过水平刚度较大的楼盖协同工作在水平作用下呈弯剪型位移曲线层间变形趋于均匀比纯框架结构侧移小非结构性破坏轻其中剪力墙为主要抗侧力构件框架起到二级防线作用比剪力墙体系延性好布置灵活因此框剪结构是一种抗剪性能较好的结构体系但由于剪力墙和框架的层间位移角弹性极限值相差很远当结构遭遇强烈地震时剪力墙在其底部首先越过弹性变形阶段出现裂缝进而屈服在出铰部位刚度大幅降低刚度沿竖向发生突变在塑性铰区发生塑性转动从而带动上部的墙体发生刚体位移再加上弯曲变形顶部侧移激增给与之相连的框架施加了很大的附加剪力而此刻结构的层间侧移角还远小于框架的弹性变形值框架尚未充分发挥其自身的水平抗力剪力墙和框架之间刚度比值的变化也会引起地震作用的重新分配增加了框架的负担使得框架的延性降低无法有效地担当起二道防线的作用另外框剪结构多用于层左右的商住楼根据工程设计实践这一类层数的房屋自振周期大都在与某些地区的地震卓越周期较接近如年墨西哥太平洋岸的级地震共有幢层的房屋倒塌其中倒塌率最高是层的建筑层以下和层以上的破坏较轻年我国海城地震而在年罗马尼亚的弗兰恰地震卓越周期中倒塌最多的也是十几层的建筑物当楼层多于层时地震力的大小和破坏率都有一个明显的陡然增大的趋势因此采取一些经济实用的方法来改善框剪结构的抗震性能提高结构的可靠度就显得尤为必要结构控制理论为多种建构筑物的抗震设计提供了一条有效可行的新途径二改善框剪结构抗震性能的有关措施结构控制理论将结构的弹塑性分析与抗震相结合抗震与消震相结合能动控制与设计相结合通过主动或被动的控制措施调整结构的刚度强度和质量分布控制结构实现最佳耗能机构以增大结构的延性和耗能能力增强结构对地震作用下强迫变形的适应能力使其满足抗震设防三水准要求抗震结构按两阶段设计即在弹性阶段按强度控制在弹塑性阶段按变形控制这样设计的结构既有一定的强度又具有较大的延性和耗能能力能一定程度地适应强烈地震使结构产生的强迫变形三提高剪力墙抗震性能将剪力墙做成四周有梁柱的带边框墙边框明框和暗框可阻止斜裂缝向相邻发展还可在墙板破坏后作承重构件代替墙板承重且有一定延性边框应具有足够的斜截面受剪承载力以承担因墙身通裂对边框梁柱引起的附加剪力控制每肢墙的高宽比必要时可设结构洞口或结构竖缝使变成双肢墙或多肢墙可控制裂缝和屈服部位出现在结构竖缝和洞口连梁处形成耗能机构同时使原剪力墙一分为二刚度降低避免发生剪切破坏和底部墙体过早屈服剪力墙的刚性连梁其跨高比往往仅为左右而试验表明当连梁的跨高比为时延性和耗能很好连梁两端相对竖向位移的延性系数都在以上滞回曲线也相当饱满当跨高比降至时延性系数则降至左右滞回曲线严重捏扰耗能很小最后弯剪破坏因此需要对它的组成和构造采取一定措施措施之一是在梁高的中性面上留一水平通缝在缝的上下两侧各埋置钢板钢板上开有椭圆形螺栓孔用高强螺栓把两钢板连结在竖载风载和小震下高强螺栓把水平通缝分开的两部分连梁连结成整体工作使连梁具有一定的刚性在大震作用时两钢板发生相对滑动原来跨高比为的刚性连梁将被分成两根跨高比为的小梁协同工作试验表明这样可使延性系数由原来的提高为左右四提高框架的抗震性能加强框架的角柱角柱是连结纵横框架的枢纽要增加框架的空间整体性就要加强角柱的抗剪性能沿周圈框架平面按形支撑和形支撑布置一定数量的钢筋砼抗剪墙板或配筋砌块抗剪墙板能有效克服框架的剪力滞后现象显著提高框架的整体性和抗推刚度减少结构的整体侧移特别有利于减小层间侧移但这种结构的延性较差因此可以在墙板上开十字形结构竖缝使之出现薄弱部位形成延性耗能墙板设置偏交斜撑等赘余杆件用弯曲耗能代替轴变耗能其中折曲撑由钢纤维砼杆制造偏心连结支撑可用钢杆或劲性钢筋砼杆组成在强烈地震作用下一方面可利用这些赘余杆件的先期屈服和变形来耗散能量另一方面当赘余杆件破坏或退出工作后使得结构由一种稳定体系过渡到另一种稳定体系引起结构自振周期的改变以避开地震卓越周期的长时间持续作用所引起的共振效应五采用新型复合材料节点提高节点的强度和延性仅靠增加箍筋效果并不显著而采用钢纤维砼和劲性砼梁柱节点效果较好由于劲性钢材或钢纤维与砼的共同工作使得节点区砼的受力性能特别是剪切变形大大改善延性和耗能能力显著提高同时提高整体结构的抗震性能实行机构控制实现总体屈服机制在结构的特定位置设置一定数量的人工塑性铰对塑性铰发生的区域顺序及塑性程度进行控制使得结构在强震时能形成最佳耗能机构在水平作用下使水平构件先于竖向构件屈服最后竖向构件底部屈服使结构的刚度和承载力相匹配在框剪结构中如剪力墙数量多厚度大刚度自然也大但会导致结构自振周期减小总水平地震作用增大反之刚度小地震力也变小所以要根据建筑的重要性装修等级和设防烈度来综合这一对矛盾以确定出结构的侧移限值从而定出抗震墙的数量厚度做到既安全又经济使结构的刚度和延性相匹配剪力墙和框架在刚度弹性极限变形值和延性系数方面的差异使得框剪结构的抗震性能大打折扣造成各构件不能同步协调地发挥材料抗力而出现先后破坏被各个击破的情况大大降低了结构中各构件的利用效率和整体的抗震可靠度所以协调各抗侧力构件的刚度和延性相匹配是工程设计中的一条重要抗震设计原则六剪力墙和框架同步工作的途径为了能够使剪力墙和框架同步工作可采用带竖缝剪力墙竖缝剪力墙在水平力作用下所产生的侧移不再是以墙体的剪切变形为主而是以并列柱的弯曲变形为主原来墙面上的斜向裂缝被并列小柱上下端的水平裂缝代替由于剪力墙的力学性能由剪切转变为弯曲弹性极限侧移值加大延性改善弹塑性耗能增加避免了普通抗震墙斜裂缝出现后的刚度严重退化采用较好的延性偏交支撑主要构造是交叉直撑的交叉点处用拼接板高强螺栓与阻尼材料组成在小震时叉点处提供足够的强度和刚度像普通直撑那样工作在强震时上撑与下撑或左撑与右撑之间可相对滑动导致刚度大大下降可提高剪力墙和框架之间的协同工作能力七框剪结构的抗震设计与计算在现行规范的抗震分析中采用协同工作计算法即采用框架弹性刚度和剪力墙弹性刚度组成并联体结构模型计算出结构弹性自振周期按众值烈度计算弹性地震作用并将按弹性刚度比值分配给框架和剪力墙该计算方法不能反映出因剪力墙开裂刚度在局部发生突变而引起墙体转动给结构带来内力重分布这样显然与实际情况有误差因此有必要作调整八框剪结构抗震计算的调整在整体按弹性方法计算的基础上允许个别构件个别部位按弹塑性性质对刚度进行调整也允许局部考虑塑性内力重分布进行计算据空间有限元程序分析结果受拉墙肢刚度退化后实际受压墙肢承受了的总剪力而受拉墙肢仅承受了墙肢受剪严重不均匀为此对于一二级抗震墙受压墙肢的设计弯矩和剪力应乘以而受拉墙肢可降低加强连梁是改善墙肢应力分配不均的有效途径通过合理的结构布置使连梁能够向各片墙肢传递更多轴向力让各墙肢尽可能地平均分担重力而避免出现某墙肢全截面受拉的情况从而也改善了墙肢承受剪力不均的状况九框剪结构对连梁的设计要求控制连梁端部的剪应力不大于以保证连梁具有足够的截面和抗剪能力连梁的剪跨比不应小于当剪跨比过小时可用水平缝将连梁分隔成两根等高连梁根据梁端实际抗弯配筋量并考虑钢筋超强效应的条件使连梁的受剪承载力大于受弯承载力调整框架的剪力为了承受由于剪力墙开裂刚度降低而转移给框架的剪力并保证框架作为二道防线应具备一定受剪承载力储备在按剪力墙框架协同工作分析所分配的剪力基础上再对框架剪力进行调整空间有限元程序动力分析结果显示框剪结构最大层间相对位移多发生在之间根据结构中框架的受力特点对以上部分的框架适当提高抗剪承载力及延性