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高烈度地区框架剪力墙结构抗震性能分析

作者:临沂鹏程木业  来源:http://www.jianliqiang.net  发布时间:2020-08-26 08:30     浏览次数 :

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  高烈度地区框架剪力墙结构抗震性能分析

  孙绍霞1林宇飞2

  孙绍霞1林宇飞2山东省冶金设计院股份有限公司山东济南250000

  摘要:文章分析了框架剪力墙结构抗震的特点,探讨了框架剪力墙结构抗震性能,提出了框架剪力墙结构抗震优化设计措施,以供参考。

  关键词:高烈度地区;框架剪力墙结构;抗震性能
 

剪力墙加固


  引言地震时地面运动是多分量的,即两个水平分量和一个竖向分量,一般认为竖向加速度分量为水平加速度分量的60%-70%,竖向地震作用对建筑物的破坏不及水平地震。但地震灾害表明,竖向地震作用对建筑物的影响十分明显,竖向加速度有可能达到甚至超过水平加速度纪录值。特别是在高烈度地区震动竖向加速度分量对建筑物的破坏状态和破坏过程的影响不容忽视。下面将对高烈度地区框架剪力墙结构抗震性能进行分析。

  1 框架剪力墙结构的特点

         框剪结构是由框架结构和剪力墙结构两种不同的受力形式组合而成。

  在建筑物受到水平力作用时,其形成的曲线为弯曲形,建筑物类似于竖向悬臂结构,水平受力越大,建筑物顶点位移就相应地越大。顶点水平位移与高度有一定的关系:当所受力为均布荷载时:U=qH4/8EI当所受力为倒三角时:U=11Hmax/120EI如果要使框剪结构有更好的受力作用,那么剪力墙的布置是否合理就显得尤为重要。对于较长的剪力墙应该设置多肢墙,并且框架所能承受的极限力矩应该在总结构承受的地震极限力矩的30%~50%。框剪结构,既有框架又有剪力墙,它们与楼板有效地结合在一起,因此它们的受力变形是一致的,在水平力作用下,它们不能脱离整体而独自摆动,而是协调一致地运动。结构受力后的结构非线性曲线与线性曲线受到地震等级的影响,当地震等级较高时,结构非线性曲线与弹性曲线偏离较大,特别是结构上段部分受此影响更加明显。

  框架剪力墙结构特点表现如下几点:(1)在荷载承担上,框架和剪力墙共同承受结构的竖向荷载,而水平荷载主要由抗侧力大的剪力墙结构来承受。(2)在受力上,框架剪力墙结构中,剪力墙承担主要的水平剪力,框架柱承担剪力减小,弯矩也相应减小,从而优化柱截面尺寸和配筋,使柱的受力状况和内力分布得到很大改善。(3)在变形上,剪力墙相当于竖向悬臂结构,随高度的增加位移增大,变形主要是弯曲型,而框架相当于悬臂剪切梁,随高度增加位移增加缓慢,变形主要为剪切型。将框架与剪力墙通过刚度无限大刚性楼板连接,剪力墙与框架的变形相互约束,其变形曲线成为弯剪型,从而使各层的变形位移趋于均匀。(4)框架剪力墙结构是由很好的耗能性能的连梁、较大抗侧力的剪力墙和柔性好的框架结构组合而成,对结构的抗震增添了几道防线的作用。大量的研究表明框架剪力墙具有很好的抗震效果。(5)框架剪力墙结构在水平力作用下的位移有层间位移角控制一般最大位移发生在 0.4~0.8 楼层间。

  1.2 框架剪力墙结构设计问题在地震作用的持续时间内,由于塑性铰的出现,构件之间的刚度在不断地发生变化,也就是说,在不断地进行内力重分布,框架-剪力墙结构二道防线的核心概念是框架和剪力墙两种结构体系之间相对刚度发生变化后引起的内力重分布。其目的是推迟框架构件塑性铰的出现,避免过大的塑性变形。按当代抗震理论、设计方法及采用设计软件,与所有的内力重分布相同,可在常规设计中通过调整系数,适当增强框架的承载能力或在前述的最小地震作用下对框架进行单独分析,使框架具有足够的强度,在大震非线性分析中,实现预期的性能目标。显然,二道防线的概念就得到了贯彻。因此,高规要求对周边框架进行刚度控制必要性的依据并不充分。

  2 高烈度地区框架剪力墙结构抗震性能

       2.1 框架—剪力墙结构的协同工作原理由框架剪力墙的特点可以看出,在水平荷载作用下,框架与剪力墙共同承担力且承担大小由相互间的刚度来确定,但不是简单的线性分配。既不能按照等效刚度eqEI 来分配,也不可以按照侧移刚度D 分配,他们之间的协同工作关系确定的抗侧刚度需要另外计算。在变形上,框—剪结构呈现反S 型的剪切型曲线。在结构上部与下部剪力墙与框架的变形不一致,在结构下部,变形较小的剪力墙约束变形较大的框架变形;相反,在结构的上部,剪力墙的变形较框架大,因此,框架对剪力墙也提供相反的拉力,是剪力墙的变形减小。所以,框架剪力墙结构的两种体系的组合,相互间的协同工作,使得它比纯框架与纯剪力墙变形都小。

  2.2 钢框架_组合剪力墙结构抗震的局限性钢框架与组合墙结构是一种双重抗侧力结构,钢框架作为边缘构件承担全部的竖向荷载和一小部分水平荷载,组合墙承担绝大部分的水平荷载。

  在地震作用下,组合墙率先发挥抗侧作用,依靠混凝土盖板强大的面外刚度抑制钢板墙的屈曲变形,使结构不仅具有较大的侧向刚度,又能充分发挥钢板的延性与耗能能力;在承载后期,组合墙刚度降低,产生破坏,耗能能力衰退,此时钢框架又成为主要的抗侧构件,依靠节点的转动继续抵抗地震作用,从而达到双重抗侧的效果。

  2.3 带转换层的框支剪力墙结构抗震性分析带转换层的框支剪力墙结构由于转换梁上面存在大量质量,而下面是空旷楼层在地震作用冲击下,常因底层框架刚度太弱、侧移过大、延伸性差以及强度不足而引起破坏,甚至导致整栋建筑物的倒塌。尤其是当转换层位置较高时,结构在转换层附近的刚度、内力发生突变从而形成一些薄弱部位对结构抗震十分不利。

  3 高烈度地区框架剪力墙结构

        为提高框架—剪力墙结构的抗震效果,就要从剪力墙和框架受力原理着手,关键是合理布置剪力墙。框架布置按照纯框架结构布置原则,遵循简单规则,柱距大小尽量一致。

  3.1 剪力墙布置的数量框架—剪力墙结构中剪力墙承担了整个结构的近 80%的剪力。所以,剪力墙的数量对框—剪体系的抗震性能尤为重要,有许多学者曾经研究剪力墙合理的布置数量,一般都以框架与剪力墙的侧向刚度着手,从剪力墙的底层承担的剪力和顶层的位移来估算框—剪体系的剪力墙数量。也有由框架与剪力墙协同变形原理着手,这种体系的最大变形出现在楼层的1/3~2/3 高度处,由此处楼层的框架抗侧刚度作为综合抗侧刚度参与整体协同计算,再由得出的变形条件反算剪力墙数量。

  3.2 剪力墙布置的位置剪力墙布置的位置值得大家探讨,位置的不同,对整体结构的抗震效果明显不同。尤其对于不规则结构的抗震,控制结构的扭转成为抗震的关键,然而剪力墙对结构的抗扭影响很大。在以上已经分析的结果显示,在结构两主轴方向上剪力墙布置要均匀,以免引起两主轴方向的抗侧刚度不均匀导致结构一侧太薄弱,位移增大,进而扭转也会增大。在一般不规则结构中,比如说局部凹凸,这些部位往往成为整个结构薄弱部位,在不影响正常使用功能下,往往通过增加剪力墙来加强这些部位。其次在楼梯、电梯等承受的荷载和剪力比较大的部位也需要加强。除此之外,剪力墙集中布置结构中部还是均匀分散布置在周围。下面是两种剪力墙布置方式,数量相同的剪力墙分别布置在结构的中间部位和周边,分析的结果如下:4 结语框剪结构构件的尺寸优化虽然比较重要,但是总体结构的概念设计和整体优化更加重要,它是结构优化的重要组成部分。在对框剪结构进行设计时,要尽量遵循剪力墙布置对称,受力均匀分散等原则要求,以保证框剪结构在抗震方面能够充分发挥作用。

  参考文献:[1]沈朝勇,周福霖,黄襄云,等.错位转换高层建筑结构竖向地震作用下的抗震性能研究[J].振动与冲击,2009,28(8).[2]朱筱俊,黄祥海,梁书亭.某复杂高层框支梁的设计与防倒塌分析[J].特种结构,2010,27(3).[3]陈祥福,唐兴荣.超高层建筑结构设计与施工[M].北京:机械工业出版社,2009.

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