摘要:框剪結構由于具有廣泛的適用性和良好的抗震性能，在我國的高層建筑中得到了大量應用。本文通過框剪結構的受力特性對框剪結構進行分析探討。
關鍵詞:高層建筑, 框架--剪力墻,剪力墻數量, 結構設計
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
中圖分類號 : TU2文獻標識碼： A 文章編號：
引言
隨著經濟的發展。現代都市的城市化建設得到長足發展.高層建筑在城市土地日益緊張的今天更是得到了投資者的青睞。在高層建筑中, 剪力墻結構因其結構剛度大、空間整體性好, 在水平力作用下側向變形小, 有利于避免設備管道與非結構構件的破壞, 因而得到了廣泛的應用。本文將著重探討影響剪力墻用量的因素, 提出了如何確定剪力墻合理用量的建議, 可供設計中參考采用。同時,討論了在豎向荷載作用下框架--剪力墻結構的水平作用效應問題。
1、框架--剪力墻結構的受力特性
框架結構的變形特性具有剪切型的特點,位移越往上增大越慢,呈內收形開口曲線, 其變形曲線為剪切型(見圖1)，在純框架結構中,所有框架的變形曲線都是類似的,所以,水平力按各框架的抗推剛度 D 比例分配。剪力墻結構的位移曲線具有懸臂彎曲梁的特征,位移越往上增大越快, 呈外彎形開口曲線(見圖2) 。在平面內有很大的抗彎曲剛度, 在一般剪力墻結構中, 所有抗側力構件剪力墻的側移曲線都是類似的, 水平力在各片剪力墻之間按其等效剛度 EI 比例分配。而在框架--剪力墻結構中,框架和剪力墻之間通過平面內剛度無限大的樓蓋連接在一起共同抵抗水平力,以至于它們不能單獨按各自的彎曲變形或剪切變形而自由變形,它們在同一樓層的位移必須相等(在不考慮扭轉的情況下)。因此,框--剪結構水平位移特征處于框架和剪力墻之間,為反 S形曲線,是彎剪型(見圖3)。
因此,在框--剪結構中, 剪力墻在下部樓層變形小, 承擔了近80%以上的水平剪力,而在上部樓層, 框架變形小, 可以協助剪力墻工作, 抵擋剪力墻的外拉變形, 從而承受很大的水平剪力。所以,框 剪結構是框架和剪力墻兩種結構水平變形的有機協調,從而達到減少結構變形, 增強結構側向剛度, 提高結構抗震能力的目的,在結構設計中具有很強的適用性。
框--剪結構中框架、剪力墻的受力特性可以用結構剛度特性值, 即框架剛度與剪力墻剛度的比值來表達。若忽略連梁約束和軸向變形的影響,有:
其中, H 為建筑總高度; Cf 為框架平均總剛度; EIw 為剪力墻折算總抗側剛度。
工程實踐表明:1)λ過小, 即框架的總剪力剛度與剪力墻彎曲剛度的比值很小, 結構變形曲線呈彎剪型, 也就是說剪力墻用量過多,此時, 結構剛度增大,自振周期縮短, 地震力相應增加, 結構延性降低, 尤其對框架頂部幾層極為不利。一般來說,剪力墻數量增多對抗震有利, 但超過必要限度也是不合理和不經濟的,為了使框架充分發揮作用,剪力墻剛度不宜過大,應使λ≥1.15。2) λ過大, 即框架的總剪力剛度與剪力墻彎曲剛度的比值很大,結構變形曲線呈剪彎型, 也就是說剪力墻用量過少, 結構剛度較差,常不滿足變形要求, 同時,框架受力過大, 梁柱截面尺寸加大,導致不經濟,因此, 剪力墻剛度不能過小,應使λ≤ 2. 4。
2、影響剪力墻數量的因素
1) 剪力墻的用量與框 剪結構的平面布置有關。剪力墻是框--剪結構中主要抗側力構件, 一般按照“均勻、對稱、分散、周邊”的原則布置。
2)剪力墻的用量與結構自振周期密切相關,結構自振周期隨剪力墻剛度增大而變短, 對于比較正常的框--剪結構, 結構自振周期大致為:
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 分別為結構第 1, 2, 3 自振周期; n 為建筑物總層數。
3)剪力墻用量與結構地震力大小直接相關。結構總水平地震作用隨剪力墻剛度的增大而加大, 對于截面尺寸、結構布置都比較正常的結構,其底部剪力大約在下述范圍內:
7度Ⅱ類場地土: Fek≈( 0. 015- 0. 03) G (5)
8度Ⅱ類場地土: Fek ≈ ( 0. 03- 0. 06) G (6)
其中, Fe k為結構底部地震剪力標準值; G 為結構總重量。
當結構底部剪力小于上述數值時, 宜適當增加剪力墻用量,提高結構剛度, 適當增大地震力以保證安全; 反之, 地震力過大,宜適當減少剪力墻用量,以求得合適的經濟技術指標。
4) 在確定剪力墻用量時,必須考慮框架剛度。框--剪結構中,框架和剪力墻是通過平面內剛度無限大的樓蓋來共同作用的, 由于樓蓋在水平力作用下會有一定的變形, 使剛度較小的框架承受的實際水平力較計算值大。此外, 框架是框--剪結構抵抗地震力的第二道防線, 有必要提高其設計地震力,結構設計時, 應有必要的強度儲備。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 為全部框架柱的總剪力; V0為結構的底部剪力; Vf max為框架柱的最大樓層剪力。
當 Vf < 0.2 V0時,說明框架抗剪剛度不足, 應加大框架梁柱截面。當 Vf > 0. 4 V0 時,說明框架抗剪剛度過大,宜減少框架梁柱截面。
3、剪力墻合理數量的確定
根據框--剪結構剛度特征值有:
其中, EIw為剪力墻總剛度;EcIc為框架柱總剛度;n為建筑物總層數;h為建筑物層高; α為框架節點轉動系數,底層柱α= (0.5+i)/(2+ i),i為框架節點梁柱線剛度比。
建筑平面確定后,根據構件剛度、強度和柱最大軸壓比限值要求, 通過預估樓面荷載從而確定梁柱截面尺寸。因此, 框架柱總剛度 EcIc、框架節點轉動系數α 便可算得。根據框--剪結構的受力特性,要求1.15≤λ≤2.4。這樣,把上述數據代入公式, 便可求得所需剪力墻的總剛度 EIw ,從而求得剪力墻的合理用量。
4、框架--剪力墻結構的水平作用效應問題
在高層建筑結構設計中, 隨著建筑物高度的增加,豎向荷載的作用逐漸退居次要地位,而水平荷載作用則上升為主要的控制地位。工程實踐發現,框架在豎向荷載作用下產生的最大層剪力數值較大,水平位移值也較大。因此,在框--剪結構設計中,豎向荷載作用下的水平作用效應也應予綜合考慮。1)應盡量減少豎向荷載的偏心作用對結構產生的不利影響。由于框架的軸向變形引起的水平位移與剪力墻彎曲變形引起的水平位移不一致,使框架和剪力墻之間存在著相互作用的水平力,從受力的角度分析,若忽略了豎向荷載所引起的框架與剪力墻間的水平力變化,對剪力墻來說是偏于安全的,而對于框架來說是偏于不安全的。2)結構計算時,不同的加載模式對結構內力有一定的影響。因此,設計時應根據加載情況對構件截面及內力予以調整。
5、結語
1)在框架--剪力墻結構設計中,剪力墻剛度的確定除了必須滿足強度條件外, 還必須使結構具有一定的側向剛度。因此,剪力墻剛度的大小將直接影響到結構的安全性及工程造價。在框--剪結構初步設計階段,簡捷、正確地確定框剪結構中剪力墻最優數量,不但可避免重復、繁瑣的結構剛度調整計算,還可以達到經濟的目標。2)工程實踐發現,框架在豎向荷載作用下產生的最大層剪力數值較大, 水平位移值也較大。因此,在框架--剪力墻結構設計中,豎向荷載作用下的水平作用效應也應予綜合考慮。
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