高层框剪结构设计要点

高层框剪结构设计要点0框剪结构的优点它是由框架结构和剪力墙结构体系组成的一种结构体系。它既能为建筑使用提供较大的平面空间,又具有较大的抗侧力刚度,因而广泛应用于多种使用功能的高层办公、饭店、公寓、住宅、实验楼、病房楼等建筑。1框剪结构的特点1.1变形特点框剪结构由框架结构和剪力墙结构两种不同的抗侧力结构组成,而这两种结构的受力特点和变形特点是各不相同的。在侧向力作用下,剪力墙相当于一个竖向悬臂弯屈构件,其变形呈弯曲型变形(见图1a),楼层越高水平位移增长越快,其顶点位移与高度呈四次方的关系:楼层剪力在各道剪力墙之间按等效刚度EIeq比例进行分配。而框架在水平力作用下的变形呈剪切型变形(见图1b),楼层越高水平位移增长越慢,在纯框架结构中,楼层剪力按框架柱的抗推刚度D值比例进行分配。框剪结构在侧向力作用下的变形呈反S型的弯剪型位移曲线。(见图1C)1.2剪力分布分配特点框剪结构在水平力作用下,由于框架与剪力墙协同工作,在下部楼层,因剪力墙小,它约束框架变形因而使剪力墙承担了大部分剪力;相反,在上部楼层剪力墙位移越来越大,而框架的变形反而越来越小,所以框架除了负担水平作用下的那部分剪力之外还负担拉回剪力墙变形的附加剪力,因此在上部楼层即使水平力产生的楼层剪力很小,框架承担的剪力也是不容忽视的。框剪结构在侧向力作用下,框架与剪力墙之间楼层剪力的分配比例和框架各楼层剪力分布情况是随着楼层高度而变化,并与结构刚度特征值r(式3)直接相关(如图2所示)。（上图d剪力图应该绘制在竖直线左边）从图2可知,框剪结构中的框架底部剪力为零,剪力的控制部位在建筑高度的中部甚至有可能在建筑的上部。框剪结构在水平力作用下,水平位移是由楼层层间位移与层高之比u/h控制,而不是顶点位移控制。层间位移最大值发生在(0.4～0.8)H范围的楼层,H为建筑物总高度。这些与纯框架不同,纯框架最大剪力在结构的底部。因此,在实际设计实践中,对布置有剪力墙(如电梯井道墙等墙体)的框架结构,必须要按框剪协同工作计算内力,而不应只按纯框架分析,否则,不能保证上部楼层框架构件的安全。1.3框剪结构的抗震防线高层框剪结构是由延性较好的框架、抗侧力刚度较大并带有边框的剪力墙和耗能性能良好的连梁共同组成的一种结构体系。在框剪结构中连梁应设计成良好的耗能构件,以便在遭遇强烈地震时连梁最先开裂出现塑性铰,降低结构的整体刚度,减弱地震作用,从而保证结构的整体安全,实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设计。2高层框剪结构合理剪力墙数量问题关于剪力墙数量多一些、刚度大一些好,还是少一些、柔一些好,各有其道理。因为随着剪力墙的增多、结构刚度变大、周期缩短,相应的地震作用就会越强,这样不仅使上部结构受力增加,材料用量增加,也给基础设计增加了困难。另外剪力墙过分增加,不利于充分发挥框架的抗侧力作用,造成浪费和不合理。从近年来的资料和近年来的实践看,确定合理的剪力墙数量要从以下几个方面来确定。2.1剪力墙合理数量的下限《高规》8.1.3条中明确规定:框剪结构中,当剪力墙部分的地震倾覆力矩≤50%结构总倾覆力矩时,其框架部分应按纯框架抗震等级采用。这说明剪力墙数量最少应以满足承受50%总地震弯矩的需求,这是剪力墙数量的一个界限即一个下限;另一个下限要求是功能方面的要求,即变形限值的要求,剪力墙的数量最少应能使结构满足在侧向力下的水平位移限值的要求。上述两方面决定了最少应布置的剪力墙数量。3.2剪力墙合理数量的上限规范规定在框剪结构中每层框架承受的总剪力应最少为1.5Vmaxf或0.2V0两者中小值(Vmaxf为各层框架部分所承担总剪力的最大值)。规范的规定是比较合理的,这样便于框架发挥其抗侧力性能,做到经济合理。因而合理剪力墙数目的最大值应是以能充分发挥框架的性能满足0.2V0总剪力的要求为宜。2.3确定合理剪力墙数量的原则在满足规范规定的位移限值条件下,剪力墙数量应尽量减少,并能充分发挥框架承担0.2V0楼层总剪力的作用,这样结构的地震反应相对小,且做到经济合理;在这样确定了剪力墙数量之后,还应验算结构的自振周期T,要使结构的自振周期避开场地的卓越周期,通常情况下一般能够满足,但这一点是不容忽视的一个问题。3框剪结构的结构布置a)1平面布置一般按照“均匀、对称、分散、周边”的原则。在平面布置中,尽量使刚度中心与荷载合力中心重合或尽量靠近,以避免产生显著的扭转;尽量使每片墙肢长度不要太长,在同刚度情况下多布置一些墙片,以便受力不过分集中;笔者近年来的实践中,对单肢墙片的长度控制在6m以内,对过长的墙肢或刚度大的剪力墙采用开施工计算洞口的措施化小单元,通过连梁连结,提高了其延性,在计算中其效果也比较好;3.2竖向布置高层结构在竖向布置方面,要求沿高度结构侧向刚度比较均匀,构件截面由下至上逐渐减小,避免突变;3.3填充墙布置在平面和竖向布置中,填充墙刚度对框剪结构的总体影响是不能忽略的。其布置也应本着均匀、对称的原则进行;同时建议在高层框剪结构中采用轻质新材料,一方面降低建筑物自重,另一方面减轻对总体刚度的影响。4高层框剪结构计算中应注意的问题:41嵌固层位置选位嵌固层位置对结构计算模型有直接的影响,它是结构计算的关键环节之一。若首层刚度与地下室刚度差别不明显时,计算嵌固层位置要向下移一层考虑甚至移基础顶面。但是在计算嵌固层位置下移后,计算中的底部加强层也随之下移,使计算结果与实际不符。42振型个数问题43关于连梁的计算问题连梁的高度,一般是从洞顶算到上一层洞底或从洞顶算至楼板标高。对门洞而言是一样的,但对窗洞口,若自洞顶算至上层洞底,有时连梁的高度太高,高跨比不合理,在计算中往往出现算不下来的情况。44计算结果调整问题框架是框剪结构的第二道抗震防线,应提高其设计地震作用,增加安全储备。框架剪力,应按规范规定进行调整:框架总剪力Vf≥0.2V0的楼层不必调整Vf,按实际计算值采用;Vf0.2V0的楼层,设计时Vf取1.5Vmaxf和0.2V0两者较小值;4.5基础计算中的问题5高层框剪构造方面应注意的问题抗震设防的一个重要手段是靠采取构造措施来实现的,设计中对构件的构造措施要严格按规范要求采取构造措施。另一方面设计中要运用概念设计的思想来采取措施,对一些薄弱环节进行加强。51剪力墙边缘构件的设置问题剪力墙应与框架有可靠的连接,剪力墙尽量布置在框架轴线上,边缘构件可按高规5.5.3条执行,周边有梁柱的剪力墙厚度≥160mm,且不小于墙净高的1/20。不在框架轴线上的墙体应在墙端设置边框柱和边框梁,以提高剪力墙的抗震性能,一般墙端柱断面≥2.5bw、梁高≥3bw。5.2小墙肢问题对小墙肢有时轴向力会很大,这时一定要采取措施。当跨度较大的框架梁垂直支承在薄的剪力墙时,要注意墙体的稳定性与局部承压强度,可采取局部加厚或加扶壁柱的办法解决;当框架梁与单片墙平行相交时,墙端部宜做明柱。截面过小的墙肢可不考虑其作用,而将其按构造柱处理。