高层框架剪力墙结构抗震设计研究

2020-11-29张正

中国建筑金属结构 2020年12期

张正

1.高层框架剪力墙结构抗震设计特点

1.1 变形协调

在高层框架剪力墙结构中，剪力墙与框架作为相对独立的抗侧力结构，二者变形性质与特性存在明显差异，可能会出现单独变形现象，无法取得预期整体结构变形、协同抵抗水平荷载的设计效果，这也是框剪结构变形协调特征的具体表现[1]。同时，上部剪力墙位移量较大，下部剪力墙位移量较小，当剪力墙位移量超过一定标准时，框架结构顶部与剪力墙将会以剪切型曲线形式进行变形。因此，在高层框剪结构设计环节，设计人员必须考虑这一问题，根据工程情况在框剪结构中设置良好的平衡点，对框架与剪力墙抗侧力结构的受力变形情况进行中和处理。例如，在将高层建筑楼板水平刚度控制在一定界限时，可以对框架与剪力墙抗侧力结构起到关系溶解作用，避免产生单独变形现象。

1.2 受力状态

传统的框架结构会随着位移量增加而产生形变减慢现象，以开口型曲线进行变形，归属于剪切型形变曲线。剪力墙结构变形曲线与悬臂梁弯曲线高度相似，结构位移量与变形速度保持正比关系，位移量越大、变形速度越大，结构水平方向受力受到刚度值影响加以等效分配。

框架剪力墙结构通过楼盖等部件将相对独立的框架与剪力墙结构连接为整体性受力结构，共同对高层建筑的水平荷载进行承担，有效解决了结构受到弯曲/剪切变形单独影响的问题，可以对建筑各楼层结构位移量进行有效控制。在水平范围内，框剪结构变形曲线为反S型，下部剪力墙的形变量较小，并承担高层建筑绝大多数的水平向剪力。与之相比，上部框架结构形变较小，主要负责承受高层建筑水平剪切力，最终起到协调建筑水平形变、抑制结构性形变的作用，形成上下受力均匀的受力结构。

2.高层框架剪力墙结构抗震设计措施

2.1 机构控制

在高层框剪结构施工、使用期间，剪力墙数量、体积与刚度三者保持正比关系，建筑结构中布置的剪力墙数量越多，则剪力墙体积越大、刚度越大，并对框剪结构的承载性能造成影响，削弱了框剪结构形态控制力度。因此，在高层框架剪力墙抗震设计方案中，往往选择采取机构控制设计措施，根据工程情况推算正比例公式，在框剪结构中的适当部位安装若干“塑性铰”装置。如此，在高层建筑遭受地震能量冲击时，可以在框架剪力墙结构中形成耗能机构，持续对地震能量进行吸收、损耗，这将在客观层面上改善高层框剪结构的抗震性能。

2.2 改善剪力墙抗震性能

2.2.1 合理设定肢墙面积

现阶段，多采取调整肢墙面积的方式来改善抗震性能。其抗震原理为，在不影响建筑使用功能、框剪结构稳固性能的前提下，适当缩小肢墙面积，将肢墙结构形式调整为双肢墙、多肢墙，在结构洞口连梁与竖向施工缝部位中形成稳定的耗能机构。这样既可以持续对结构裂缝与屈服部位进行有效控制，而当高层框剪结构遭受地震能量冲击时，也可以通过耗能机构吸收地震能量、降低剪力墙刚度的方式，预防高层建筑底部墙体过早屈服及剪切破坏等问题的出现。

2.2.2 增设梁柱结构

高层设计在不影响建筑使用功能正常发挥前提下，可选择于剪力墙周边区域中额外设置梁柱结构，从而形成边框剪力墙，抑制斜向裂缝向邻近建筑结构进行扩散延展。而在出现地震灾害或是建筑剪力墙结构遭受破坏时，边框剪力墙可以临时性替代剪力墙结构的承载性能、有效抵抗所承受的附加剪应力。在采取这项设计措施时，设计人员必须确保额外设置的梁柱结构具有良好的斜截面承载性能，才能取得良好的设计效果。

2.2.3 遵循分散布置原则

在设计高层框架剪力墙结构时，设计人员必须严格遵循分散设计的原则，考虑到剪力墙数量、面积、尺寸与刚度之间的关联影响，需要进行分散布置，保持相邻剪力墙构件的安全间隔距离，合理设定剪力墙连续尺寸、设置若干数量的抗侧力构件。如此，在高层建筑结构中布置大量剪力墙的条件下，可以将剪力墙刚度、弯度控制在合理范围内，并改善剪力墙结构的扭转性能。例如，在条件允许前提下，设计人员尽可量在各楼层角落、不规则角、拐角等位置设置剪力墙。这样，既可以将墙体进行分散布置，也可以对高层建筑结构的薄弱环节进行加强处理。

2.3 改善框架抗震抗力性能

2.3.1 强化角柱

在高层建筑框架剪力墙结构中，角柱作为一种重要构件，以及框架结构主要组成部分，起到连接横向框架与纵向框架结构的作用，角柱抗剪性能直接影响到框架结构整体性能，也将对高层框剪结构的抗震性能造成影响。因此，设计人员可选择对角柱进行强化处理，重点改善角柱抗剪性能，这将在客观层面上提高高层框剪结构抗震性能、消除抗震薄弱环节。

2.3.2 布置钢筋混凝土剪力墙板

在早期高层建筑工程中，普遍产生框架剪力滞后现象，且高层稳定性能与抵抗力刚度较差，在高层建筑遭受地震能量冲击时，易出现结构侧向过度位移现象，产生安全隐患[2]。针对这一问题，可选择在高层布置若干数量钢筋混凝土剪力墙板构件，即可有效解决框架结构剪力滞后问题，有效改善结构抵抗刚度与整体性能，抑制高层框剪结构侧向位移，往往选择将钢筋混凝土剪力墙板以X型或K型进行布置。但是，在采取这项设计措施时，所布置钢筋混凝土剪力墙板结构的延性有所不足，可选择在墙板上预留十字开口，将其作为结构薄弱环节，这将起到改善钢筋混凝土剪力墙板延性、形成耗能墙板的作用，减小地震能量对高层框剪结构造成的冲击破坏影响。

2.3.3 设置赘余构件

考虑到高层框剪结构在遭受地震能量冲击作用时易产生共振效应，对建筑结构稳定性造成破坏，可选择在高层框剪结构中设置若干数量的赘余构件，如偏交斜撑构件，由原有轴边耗能方式切换为弯曲耗能方式，往往以钢杆为原材料制作偏心连接支撑件、以钢纤维混凝土为原材料制作折曲支撑件。在出现地震灾害时，所设置的赘余构件可以起到诱发建筑自振周期改变、预防共振效应产生、通过先行屈服消耗地震能量的多重作用。

2.4 改善整体抗震性能

2.4.1 获取总体屈服效果

这项设计措施指，在高层框架剪力墙结构中的适当位置中安装若干数量“塑性铰”构件，根据工程情况合理设定塑性铰构件的安装位置、次序，通过塑性铰来增强高层框剪结构形变控制力，获取总体屈服效果。在出现地震灾害后，塑性铰将形成耗能机构，受到水平向力影响使得水平构件与竖向构件依次屈服。

2.4.2 保持刚度延性统一

框架与剪力墙结构性能参数存在明显差异，如延性系数、刚度值等，这一问题的存在加大了设计工作量，需针对各项参数不断进行改进。在出现地震灾害时，建筑各构件难以稳定保持协调状态，易出现先后破坏现象、形成抗震薄弱环节。因此，高层框剪结构抗震设计重心在于，通过综合采取各项设计措施，将框架与剪力墙结构延性刚度保持统一状态[3]。

2.4.3 平衡结构刚度与承载性能

在高层框剪结构中，剪力墙数量、体积、刚度三者保持正比关系，剪力墙数量越多、刚度与体积越大，以此为诱因导致高层建筑结构自振周期变小，加大了地震能量对整个物体的破坏作用，危害极大。因此，在制定高层框架剪力墙设计方案时，应重点考虑这一问题，综合分析工程信息，在满足工程使用需求、设计要求的前提下，将剪力墙数量与刚度控制在合理范围内。

2.5 框架及抗震端设计要点

在框架设计环节，对相关工程信息进行综合分析，如连梁跨高比、刚度与纵面墙长度，在其基础上准确评估框架设计性。同时，在建筑墙体遭受地震能量影响时产生较大剪切变形量时，应将长墙体分为若干节段，将墙体高度控制为墙宽2倍左右，在两端设置边缘约束装置，以此起到抑制剪切变形量、预防剪切破坏问题出现的作用。在抗震端设计环节，将抗震端与框肢墙二者的截面高度差值控制在较小范围内，并对抗震端底部情况进行检查评估。如若抗震端底部存在漏洞，可选择使用高强度混凝土对漏洞进行修补处理，禁止空开漏洞[4]。