淺析高層框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化措施

1、<p>　　淺析高層框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化措施</p><p>　　【摘要】剪力墻結(jié)構(gòu)既可以保證結(jié)構(gòu)安全可靠性，又可以使室內(nèi)空間合理、墻面平整，所以高層建筑結(jié)構(gòu)中越來越多地采用剪力墻結(jié)構(gòu)。但在實際設(shè)計工作中，出現(xiàn)一些難點，就電梯井樓梯間等集中設(shè)置剪力墻的區(qū)域位置和扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；建筑外形美觀；結(jié)構(gòu)位移控制；剪力墻布置不均勻；連梁集中過大應(yīng)力等情況加以分析探討，通過實例的精確計算，調(diào)整設(shè)計思路設(shè)計方案，解決這些設(shè)計

2、難題。 </p><p>　　【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)；設(shè)計計算；設(shè)計 </p><p><b>　　1 工程概況 </b></p><p>　　本工程為地上14層地下一層建筑。建筑屋面結(jié)構(gòu)高度46.3m，底層層高為4.5m，標(biāo)準(zhǔn)層3m。地上地下總建筑面積1.8萬㎡。標(biāo)準(zhǔn)層活載展廳功能取為3.5kN/㎡，辦公樓取值2.0kN/㎡，機(jī)房取7.0kN/㎡

3、?？紤]隔墻自由布置特點，活載增加每延米墻重/3 的數(shù)值?？紤]大空間及結(jié)構(gòu)高度的需要，結(jié)構(gòu)抗力體系為框剪結(jié)構(gòu)。因甲方建筑外觀的要求，建筑北側(cè)及東側(cè)墻面因安裝玻璃幕墻及建筑效果緣故，不允許設(shè)置剪力墻，只能在西部南部及樓梯間布置剪力墻以控制位移。但樓電梯間布置也較偏，這樣造成了結(jié)構(gòu)質(zhì)心和剛心不重合，造成了扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。但從平面規(guī)則性和豎向布置規(guī)則性角度看，結(jié)構(gòu)均屬于較為規(guī)則，無開大洞大凹進(jìn)也并無明顯豎向剛度突變。 </p><

4、;p>　　主要設(shè)計條件計算參數(shù)如下：結(jié)構(gòu)安全等級為丙類，抗震設(shè)防烈度為7度，地震加速度為0.10g。場地類別為IV類，場地土無液化，特征周期按上海規(guī)范取0.9S，風(fēng)荷載基本風(fēng)壓0.55kN/㎡，地面粗糙度為B類。初步計算下，剪力墻承擔(dān)抗傾覆力矩均在50%以上，因此按框架剪力墻類型來決定抗震等級。因此，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》6.1.2及6.1.3.1條，決定框架抗震等級為三級，剪力墻為二級。結(jié)構(gòu)計算采用PKPM-SATWE軟件進(jìn)行

5、。框架剪力墻結(jié)構(gòu)按高規(guī)考慮0.2 調(diào)整系數(shù)。頂部塔樓地震力放大系數(shù)取2.0。 </p><p><b>　　2 設(shè)計計算分析 </b></p><p>　　根據(jù)工程概況及現(xiàn)行規(guī)范，該工程的設(shè)計計算要點主要如下。 </p><p>　　2.1 位移控制：根據(jù)抗震規(guī)范，彈性位移角應(yīng)控制在1/800 以內(nèi)。另根據(jù)地方抗震規(guī)范，首層彈性位移角應(yīng)控制在1

6、/2000 以內(nèi)。 </p><p>　　2.2 結(jié)構(gòu)規(guī)則性要求：最大層間位移與平均層間位移比不得超過1.5，宜控制在1.2 范圍內(nèi)，第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期比值應(yīng)小于0.85。并不出現(xiàn)豎向剛度突變，剪力墻上開洞宜對齊。因?qū)儆谂まD(zhuǎn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮雙向地震下扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。 </p><p>　　2.3 剛度比要求：地下室剛度大于首層剛度2倍，應(yīng)采用剪切剛度計算方法計算，且地下室范圍為主體結(jié)構(gòu)

7、45放腳投影線確定。 </p><p>　　2.4 消除連梁抗剪不滿足及超筋現(xiàn)象：剪力墻連梁雖然在計算中考慮使其首先產(chǎn)生塑性鉸，并計算內(nèi)力重分布。但實際模型計算中，連梁起到的作用是將每層分配到的地震力傳遞給墻肢，時常出現(xiàn)抗剪不夠的情況。調(diào)整主要是考慮整體規(guī)則性的情況下，加強(qiáng)連梁抗剪能力。 </p><p>　　2.5 初步計算分析：考慮以上計算要點，整體考慮下，本工程Y 向剪力墻布置在X

8、方向上布置盡量做到均勻，使結(jié)構(gòu)重心與剪力墻剛心基本重合。而X 向剪力墻，由于建筑布置的緣故，剪力墻集中于南面，兩心有一定偏差，將造成一定扭轉(zhuǎn)。經(jīng)過計算，基本結(jié)果如下：X向位移角1/945，Y向1/812，已滿足。且首層位移角控制在1/2 100，也滿足上海地方抗震規(guī)范要求。因地下室人防墻體較多，1 層與地下室剛度比在剪切剛度計算方法下控制在32%左右，已滿足2010 年抗震規(guī)范要求。X 方向地震作用下，最大層間位移與平均層間位移比值最大

9、為1.26，Y 方向地震力作用下，最大層間位移與平均層間位移比值在1.23。雖然屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，但并未超越1.5 倍的限值。在8、9 層的邊跨剪力墻連梁處，出現(xiàn)了連梁抗剪不滿足。出現(xiàn)于2軸邊跨截面為350×500，抗剪截面不滿足主要出現(xiàn)在8～10層。最大剪力為631kN，而抗剪能力0.25fcBho=545kN，不滿足。 </p><p>　　3 優(yōu)化設(shè)計分析過程 </p><p&g

10、t;　　3.1 第一次優(yōu)化設(shè)計 </p><p>　　將該處兩根連梁放大至350×800，抗剪計算得到了滿足，但是出現(xiàn)新的問題，Y 向位移角擴(kuò)大至1/769，最大位移節(jié)點出現(xiàn)在東南側(cè)角部（見圖1），不能滿足規(guī)范的要求。同時，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)也迅速增大，最大層間位移與平均層間位移比值擴(kuò)大至1.44，顯然向更不利方向發(fā)展。2 層底部加強(qiáng)區(qū)，電梯間處，出現(xiàn)墻暗柱超筋。同時在南部樓梯間連梁也出現(xiàn)抗剪不足。這一現(xiàn)象證實了

11、引言中所述，框架剪力墻結(jié)構(gòu)各項計算結(jié)果數(shù)據(jù)往往密切相關(guān)，不可能只進(jìn)行局部調(diào)整就滿足整體結(jié)構(gòu)的抗力要求。因此，不得不進(jìn)行第二次調(diào)整。 </p><p>　　3.2 第二次優(yōu)化設(shè)計 </p><p>　　一般位移不足的調(diào)整方法，通常為對最大位移處的進(jìn)行加強(qiáng)，在本工程中，采用放大角柱處的柱大小和剪力墻厚度方法。將該最大位移節(jié)點處柱放大至800×800，墻寬放大到400（建筑所允許的最大

12、墻寬）。經(jīng)過計算，位移雖然有所變小，但是仍舊不在規(guī)范允許范圍內(nèi)，位移角1/788，而且，連梁抗剪不滿足的問題仍舊存在，最大位移與平均位移的比值還是在高位達(dá)到1.4。由此可見，這樣片面的調(diào)整方法無法解決整體建模分析計算的問題。 </p><p>　　3.3 第三次優(yōu)化設(shè)計 </p><p>　　整體觀察第一次調(diào)整的問題，主要是加強(qiáng)了西側(cè)墻體連梁剛度截面后，導(dǎo)致東側(cè)剛度相對整個結(jié)構(gòu)驟然減少，使

13、得結(jié)構(gòu)規(guī)則性降低，使結(jié)構(gòu)受扭效應(yīng)顯著提升，并使得部分墻肢受力不均而造成超筋。而本身在建筑物東部的連梁相對于它們所需承擔(dān)的應(yīng)力傳遞和分配的任務(wù)相比，350×500的截面明顯不夠。因此，第二次調(diào)整的方法片面局部加強(qiáng)角柱是不能達(dá)到預(yù)期效果，必須整體考慮。盡管對框剪結(jié)構(gòu)位移扭轉(zhuǎn)等數(shù)值的調(diào)整最有效的方法是增大剪力墻長度或截面，但是由于建筑對剪力墻布置有一定限制，而連梁和與墻連接的梁在整體結(jié)構(gòu)力傳遞中起到的作用也必須被重視。加上第一次調(diào)整

14、也主要是放大了連梁，因此，本次調(diào)整主要從與剪力墻相連的梁及連梁微調(diào)整著手。放棄第二次調(diào)整的修改，經(jīng)與建筑協(xié)商，將電梯前室縱向梁放大至300×700，南部樓梯間及廁所處窗洞上連梁放大350×1000。 </p><p>　　經(jīng)過計算，結(jié)構(gòu)明顯改善了整體傳力協(xié)調(diào)性，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)指標(biāo)，最大位移與平均位移比縮小至1.2～1.3之間，消除了2層的剪力墻邊緣構(gòu)件超筋及上部幾層出現(xiàn)的連梁抗剪不滿足。并且，最重要

15、是，由于對東南部分的剪力墻連梁加強(qiáng)，使得結(jié)構(gòu)位移控制重新達(dá)到規(guī)范允許范圍內(nèi)，最大層間位移角控制在1/830。已滿足規(guī)范對框架剪力墻結(jié)構(gòu)各項要求。 </p><p><b>　　4 設(shè)計要求規(guī)范 </b></p><p>　?。?）本工程放大連梁的調(diào)整方法，需要注意規(guī)范對連梁有剪跨比不小于1的要求，如果在計算中連梁剪跨比過小，應(yīng)該在實際設(shè)計中采用水平縫將梁分為兩段。 &

16、lt;/p><p>　?。?）本工程的調(diào)整是在建筑要求嚴(yán)苛情況，不得已而進(jìn)行的局部微調(diào)。如建筑條件允許，可以通過對結(jié)構(gòu)的整體布置優(yōu)化，達(dá)到更完美更規(guī)則的調(diào)整效果。 </p><p><b>　　5 結(jié)語 </b></p><p>　　以上案例反應(yīng)了框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計計算中最常遇到的問題，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不規(guī)則情況下，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員需要對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行多次調(diào)整，方可達(dá)