结构设计经验谈——框剪结构

发布于 2021-01-01 11:21

框架-剪力墙结构，俗称为框剪结构。主要结构是框架，由梁柱构成，小部分是剪力墙。墙体全部采用填充墙体，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。
框剪结构是框架结构和剪力墙结构两种体系的结合，吸取了各自的长处，既能为建筑平面布置提供较大的使用空间，又具有良好的抗侧力性能。框剪结构中的剪力墙可以单独设置，也可以利用电梯井、楼梯间、管道井等墙体。因此，这种结构已被广泛地应用于各类房屋建筑。
框剪结构的变形为剪弯型
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，从而减小了结构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 80%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剪力很少。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 10～25 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 0.7～1.7s，与某些地区的地震卓越周期较接近。如1985年墨西哥太平洋岸的 8.1 级地震，共有 164 幢 6～20 层的房屋倒塌，其中倒塌率最高是 10～15 层的建筑，而 5 层以下和 25 层以上的破坏较轻。在 1975 年我国海城地震、1977 年罗马尼亚的弗兰恰地震(卓越周期 1.4s?)中，倒塌最多的也是十几层的建筑物。
当楼层多于 14 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
综述
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
1、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。
2、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。
3、剪力墙的刚性连梁，其跨高比往往仅为 1 左右。而试验表明：当连梁的跨高比为 5 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 8 以上，滞回曲线也相当饱满；当跨高比降至 1 时，延性系数则降至 3 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1/2 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 1 的刚性连梁将被分成两根跨高比为 2 的小梁协同工作，试验表明, 这样可使延性系数由原来的 3 提高为 10 左右
四、提高框架的抗震性能
1、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。

2、沿周圈框架平面按 K 形支撑和 X 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。
3、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：
1、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。
2、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。
3、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 F，并将 F 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

1.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。
2.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 90%的总剪力而受拉墙肢仅承受了 10%，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 1.25，而受拉墙肢可降低 10～20%。
3.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
1、控制连梁端部的剪应力不大于 0.15%，以保证连梁具有足够的截面和抗剪能力。
2、连梁的剪跨比不应小于1.0，当剪跨比过小时可用水平缝将连梁分隔成两根等高连梁。
3、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。
4.调整框架的剪力
(1)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。
(2)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 0.4H～0.8H 之间，根据结构中框架的受力特点，对 0.4H 以上部分的框架适当提高抗剪承载力及延性。

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