框架-剪力墙结构抗震设计分析

框架-剪力墙结构抗震设计分析

随着经济的发展和科学技术的进步,框架-剪力墙结构结构体系在高层建筑中越来越得到广泛运用。如何合理地确定框架-剪力墙结构中的剪力墙的布置和数量问题一直是国内外学者研究的课题。剪力墙设置的位置和多少直接影响到了结构的抗震性能和经济效益。本文通过具体工程实例对某框架-剪力墙进行了的分析研究,给出了有益的结论。

标签：框架剪力墙抗震

0 引言

随着社会的发展,框架与剪力墙结构体系在高层建筑中越来越被广泛采用。而在同一结构中同时使用框架和剪力墙两种结构体系,把两者结合起来共同承受竖向和水平荷载,不仅大大减少了结构本身的侧移,而且有效提高了结构的抗震能力。研究结果表明地震作用下,框-剪结构中的剪力墙,几乎承担了总水平地震作用的80%以上,所有框架所承担的水平地震作用之和不到总值的20%,由此看出框剪结构中的剪力墙在抗震方面起着主导作用,如何合理地确定框架-剪力墙结构中的剪力墙的布置和数量问题一直是国内外学者研究的课题,其设置的位置和多少直接影响到了结构的抗震性能和经济效益。

1 工程概况

某商务办公楼,工程主楼地下一层,地上十层,局部为七层,总建面积为40600m2,其中地下建筑面积为5400m2,地上建筑面积为35200m2,建筑基底面积为3500m2,建筑高度为41.15m,总长度81.6m,宽度56.2m,室内外高差为0.60m。该项目设计合理使用年限50年。工程结构形式选用框架-剪力墙结构体系,采用桩基础。商务办公楼抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.15g,设计地震分组为第一组。建筑结构的安全等级为二级,建筑抗震设防类别为丙类,地基基础设计等级为乙级,建筑桩基设计等级为乙级,地下室防水等级二级,剪力墙的抗震等级为二级,按8度区、一级抗震等级采取抗震构造措施;框架梁柱的抗震等级为三级,按8度区、二级抗震等级采取抗震构造措施。地下室部分的框架梁、墙柱的抗震等级为三级。该工程主楼一到七层主体为方形建筑,所有剪力墙沿墙顶通长设置暗梁。其中,车库地下室外墙顶增设暗梁,墙水平分布筋在暗梁范围内照设。本工程所有与墙垂直的梁(梁长L≥4m)下混凝土墙内未设边缘构件的均设暗柱。地下室外墙水平施工缝留在基础顶300mm处,缝内设遇水膨胀胶条。

2 工程抗震设计

2.1 基础设计

根据场地的工程地质条件,设计采用预应力混凝土管桩+柱下独立承台基础。桩基选型依据《预应力混凝土管桩》03SG409中选取,其制作、运输、施工按国

家规范和该图集的要求进行。本工程基坑较深、面积较大,地下室基础底板与混凝土外墙一次整体浇筑至底板面以上300mm,并按要求设置水平施工缝。工程±0.000及以下均采用掺加SY-G 型高性能膨胀抗裂剂的补偿收缩混凝土,其限制膨胀率及各项指标符合《混凝土外加剂应用技术规范》的有关要求。

2.2 主体结构设计

梁截面尺寸设计从250 mm×300mm到400mm×1200mm不等,柱截面尺寸设计从600mm×600mm～900mm×900mm不等。梁主筋配筋率不小于0.6%,上部主筋70%沿梁全长贯通,下部主筋全部直通到柱内或墙内,箍筋在梁全长上都进行了加密,梁端配筋设计应确保梁柱节点强剪弱弯的受力特性;框架柱按三级抗震等级采取构造措,框架柱的轴压比控制在0.85以内,符合规范要求;柱全部纵向钢筋配筋率不小于1.0%,间距不大于200mm,箍筋沿柱全高进行加密,体积配箍率不小于0.6%,实现强柱弱梁、强剪弱弯的抗震设计要求,使柱具有一定延性;剪力墙布置本工程主要集中在电梯、楼梯间。在进行剪力墙的布置时充分考虑了结构抗侧力的薄弱环节,有效的提高了结构整体的抗侧刚度。

2.3 结构抗震分析

本文采用ANSYS大型通用有限元分析软件对该框架-剪力墙结构进行了有限元建模和整体抗震计算分析。计算模型混凝土的弹性模量Ec=3.0×104N/mm2,泊松比μc=0.2,密度γc=2250kg/m3。钢筋的弹性模量Ec=2.0×105N/mm2,泊松比μs=0.25,密度γs=7800

kg/m3。本文ANSYS有限元分析模型中钢筋与混凝土采用分离式模型,混凝土单元采用八节点实体单元(SOLID65),混凝土结构中的钢筋采用杆单元(LINK8),钢筋与混凝土之间的粘结采用非线性弹簧单元(COMBIN39)。计算结果如下:

2.3.1 结构周期与基底剪力

在地震作用下该框架-剪力墙结构的前六阶振型周期分别为 1.40s、1.38s、1.23s、0.47s、0.43s、0.41s。X方向前六阶振型作用下的基底剪力分别为:7201kN、8470kN、3070kN、259kN、3130kN、3131kN;Y方向前六阶振型作用下的基底剪力分别为:4875kN、9643kN、3909kN、7.85kN、52.37kN、5.03kN。

从计算结果可以看出,结构以X向平动为主的第一自振周期为1.40s,以扭转为主的第一自振周期为0.43s,其比值为0.33 小于0.85,结构抗扭刚度满足规范要求。分析各振型计算结果,各振型在地震总反应中的贡献随着其频率的增加迅速减小,频率低的前三个振型控制了结构的最大地震反应。

2.3.2 结构变形分析

地震作用下该框架-剪力墙结构层间位移角X、Y方向最大值分别为1/938和1/879,楼层层间最大层间位移X、Y方向分别为36.2mm和34.1mm,符合规范

要求。

2.3.3 剪力墙设置分析

本工程在进行设计施工时,充分考虑了框架-剪力墙结构的优点,将两者巧妙结合起来,剪力墙设置应满足:剪力墙应设置在竖向荷载较大处;剪力墙应设置在平面形状变化处或楼盖水平刚度剧变处;剪力墙应设置在楼梯间、电梯间以及楼板较大洞口的两侧;纵、横剪力墙最好能连接成T形、L形和口字形。

通过对该框架-剪力墙结构抗震分析,计算结果数据表明框架-剪力墙结构在水平力作用下,水平位移由层间位移角来控制,而不是由顶点水平位移来控制,最大层间位移一般发生在建筑物的中部范围内。地震作用下,框架-剪力墙结构体系中剪力墙承担了大部分的水平力,充分体现了框架-剪力墙结构中剪力墙抗震的优势,也说明剪力墙在整个结构的抗震中起着非常重要的作用。

3 结语

框架-剪力墙结构中,框架与剪力墙起到了很好的互补的作用,对于抗震要求较高的地区是一种非常合适的结构形式。框架-剪力墙结构设计的合理与否,会直接影响到建筑物的安全使用与技术经济指标的高低。本文结合实例工程,遵循“均匀、分散、对称、周边”的原则,对剪力墙数目进行了合理的确定,计算结果和实际工程建设验证了该工程抗震设计的的合理和可行性,实现了较好的社会经济效益。

参考文献:

[1]梁启智,冯建平,王中慧.高层建筑框架-剪力墙结构设计实例[M].广州:华南理工大学出版社,1992.

[2]中华人民共和国国家标准,建筑抗震设计规范(GB50011-2001)[M].北京:中国建筑工业出版社,2001.

[3]王长新,沈蒲生.剪力墙结构在地震作用下的非线性分析[J].湖南大学学报,1994,21(6):95-100.