◎ 杭州恒元建筑設(shè)計(jì)院有限公司 胡志明

前言

框架—剪力墻結(jié)構(gòu)由框架和剪力墻兩種不同的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)組成，由于剪力墻的抗側(cè)剛度比框架的抗側(cè)剛度大得多，故它們的協(xié)同作用既可以提供整體結(jié)構(gòu)較大的抗側(cè)力，也利用了框架結(jié)構(gòu)可以提供較大空間的優(yōu)越性。因此這種結(jié)構(gòu)體系整體性好、剛度大、側(cè)向變形小、抗震性能好，易于滿足高層結(jié)構(gòu)中現(xiàn)行國家規(guī)范限定值要求，而得到廣泛應(yīng)用。

1.鋼筋混凝土框架一剪力墻結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的內(nèi)力和變形分析

目前在實(shí)際工程中，框架一剪力墻結(jié)構(gòu)是一種廣泛應(yīng)用的抗震結(jié)構(gòu)體系。它兼顧了框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，充分發(fā)揮了框架布置靈活，延性較好而剪力墻抗側(cè)力強(qiáng)的特點(diǎn)。根據(jù)多級設(shè)防原則的要求，在強(qiáng)震作用下，框架一剪力墻結(jié)構(gòu)必然進(jìn)入彈塑性階段，在這一階段，由于剛度退化在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生明顯的塑性內(nèi)力重分布，結(jié)構(gòu)的受力及變形與彈性階段有很大的區(qū)別。在框架一剪力墻結(jié)構(gòu)中剛度特征值是一個(gè)與框架和剪力墻的剛度比有關(guān)的參數(shù)對框架一剪力墻結(jié)構(gòu)的受力和變形特征有重大影響。震害分析與模型實(shí)驗(yàn)均表明，剛度退化系數(shù)、層間位移轉(zhuǎn)角是兩個(gè)較好的性能參數(shù)，它們能夠較為理想地描述和評價(jià)框架一剪力墻結(jié)構(gòu)的彈塑性性能。

2.框架一剪力墻結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作原理和側(cè)移曲線特點(diǎn)

框架一剪力墻雙重抗側(cè)力體系，是采用剪切型的框架和彎曲型的剪力墻兩種不同屬性構(gòu)件所組成的結(jié)構(gòu)體系。兩種構(gòu)件通過各層樓板的聯(lián)系進(jìn)行協(xié)同工作，這將顯著減小結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)側(cè)移和下部各樓層的最大層間側(cè)移。單獨(dú)剪力墻相當(dāng)于豎向懸臂梁，在側(cè)向力作用下的變形曲線為彎曲型。其特點(diǎn)是，越接近結(jié)構(gòu)頂部，其水平位移增長越快，結(jié)構(gòu)的上部層間位移大而下部層間位移較小。單獨(dú)框架的整體變形屬于剪切型變形，其形狀類似于豎向懸臂梁由剪切變形產(chǎn)生的變形曲線，其特點(diǎn)是，結(jié)構(gòu)的上部層間位移小而下部的層間位移大，越接近結(jié)構(gòu)頂部，其水平位移增長越來越慢?？蚣芤患袅Y(jié)構(gòu)通過平面內(nèi)剛度很大的樓屋蓋將框架和剪力墻結(jié)合在一起，使二者變形協(xié)調(diào)一致。因此，框架剪力墻結(jié)構(gòu)變形曲線的特點(diǎn)應(yīng)該是彎剪型變形，且在其變形曲線上存在有一反彎點(diǎn)，以反彎點(diǎn)為基準(zhǔn)，下方側(cè)移曲線為彎曲型，上方側(cè)移曲線為剪切型，框架結(jié)構(gòu)的底層層間位移(角)最大，剪力墻結(jié)構(gòu)的頂層層間位移(角)最大。

框架一剪力墻結(jié)構(gòu)側(cè)移曲線的形狀將隨體系中剪力墻和框架的相對數(shù)量和抗側(cè)移剛度比值而變化。剪力墻的數(shù)量很少時(shí)側(cè)移曲線就接近剪切型；剪力墻的數(shù)量很多時(shí)，側(cè)移曲線就向彎曲型靠近?？蚣芎图袅χg產(chǎn)生相互作用力，上部為拉力，下部為壓力?？蚣芤患袅w系的頂點(diǎn)側(cè)移主要取決于承擔(dān)絕大部分水平力的剪力墻的變形。所以，采用框架一剪力墻體系后，由于框架與剪力墻的協(xié)同工作，不僅減少了結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移，更重要的是減小與結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)部件破壞程度密切相關(guān)的層間側(cè)移角。

3.框架一剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法分析

3.1 框架一剪力墻結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)

基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論是基于“投資一效益”準(zhǔn)則，以結(jié)構(gòu)抗震性能分析為基礎(chǔ)，針對每一種設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，將結(jié)構(gòu)的抗震性能劃分為不同的等級，根據(jù)業(yè)主的要求，采用合理的抗震性能目標(biāo)和合理的結(jié)構(gòu)措施進(jìn)行設(shè)計(jì)。由此可見，基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論與當(dāng)前的抗震設(shè)計(jì)理論相比，具有強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)的個(gè)性，有一定的自主選擇抗震設(shè)防目標(biāo)的空間，有利于促進(jìn)技術(shù)革新，改變傳統(tǒng)單一抗震設(shè)防目標(biāo)的舊理念為多級設(shè)防的新理念，突出“投資一效益”準(zhǔn)則相結(jié)合，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案、可靠地實(shí)現(xiàn)性能目標(biāo)等顯著特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)理論包括地震設(shè)防水準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)與分析方法的三個(gè)主要方面。這一理論的出現(xiàn)必將改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法：底部剪力法、振型分解反應(yīng)譜法，均以設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜為基礎(chǔ)，是當(dāng)前最基本和最主要的抗震計(jì)算方法，兩者均屬于反應(yīng)譜理論，是以承載力作為主要的控制參數(shù)。這種基于承載力的抗震設(shè)計(jì)方法的主要缺點(diǎn)在于難以準(zhǔn)確描述結(jié)構(gòu)在彈塑性階段的工作情況，對結(jié)構(gòu)在地震作用下破壞程度的控制不夠，屬于“被動抗震設(shè)計(jì)”；延性設(shè)計(jì)法、基于能量平衡極限設(shè)計(jì)法、基于損傷的設(shè)計(jì)方法均考慮了非彈性性能對結(jié)構(gòu)抗震能力的貢獻(xiàn)，它們分別以延性、能量、和反映結(jié)構(gòu)損傷程度的某種指標(biāo)作為設(shè)計(jì)控制參數(shù)，這三種方法最主要的缺點(diǎn)在于在實(shí)際設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)參數(shù)不易被工程人員掌握，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者的思想；理論研究和實(shí)驗(yàn)證明，在對結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行評估的過程中，采用變形指標(biāo)可以較好地體現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷程度，也可以控制非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能水平。同時(shí)歷次震害表明，結(jié)構(gòu)破壞、倒塌的主要原因是變形過大，超過了結(jié)構(gòu)構(gòu)件能承受的塑性變形能力。通過對比分析、理論論證，指出基于變形的抗震設(shè)計(jì)是目前實(shí)現(xiàn)性能抗震設(shè)計(jì)的有效途徑。

3.2 框架一剪力墻結(jié)構(gòu)基于位移的抗震設(shè)計(jì)

基于位移的抗震設(shè)計(jì)即根據(jù)鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，將其性能劃分為使用良好、保證人身安全和防止倒塌三個(gè)水平，并用層間位移角限值予以量化。以作用倒三角形水平分布荷載的等截面彎剪懸臂桿的側(cè)移曲線作為其初始側(cè)移模式。對于使用良好性能水平，將側(cè)移曲線上反彎點(diǎn)對應(yīng)的樓層處的層間位移角剛好達(dá)到相應(yīng)限值時(shí)的側(cè)移曲線作為目標(biāo)側(cè)移曲線，據(jù)此計(jì)算等效單自由度體系的等效參數(shù)以及原結(jié)構(gòu)的基底剪力和各質(zhì)點(diǎn)的水平地震作用。對于保證人身安全和防止倒塌的性能水平，根據(jù)Pushover曲線與需求曲線的關(guān)系對結(jié)構(gòu)予以調(diào)整，使結(jié)構(gòu)滿足這兩個(gè)性能水平的要求。

本例結(jié)構(gòu)為一幢十層鋼筋混凝土框架一剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為8度，Ⅱ類場地，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，Ts=0.355。首層層高4.8m，2層4.0m，3-10層均為3.6m，梁、墻、板、柱混凝土均為現(xiàn)澆。混凝土強(qiáng)度等級：梁、柱、墻在1-3層為C35，4-6層為C30，7-10層為C20，縱向鋼筋采用HRB335鋼，箍筋采用HPB235鋼。

框架一剪力墻結(jié)構(gòu)在不同極限狀態(tài)達(dá)到臨界層間側(cè)移角限值的樓層位置有移動的趨勢，這也說明了彈性層間側(cè)移角限值首先發(fā)生的樓層并不一定是結(jié)構(gòu)最終破壞產(chǎn)生的地方，其原因是在中震和大震作用下框架一剪力墻結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的內(nèi)力重分布；按側(cè)移相等的原則將框架一剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻等效成梁柱，進(jìn)而將框架一剪力墻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為空間框架結(jié)構(gòu)的方法具有一定的合理性。

4.小結(jié)

本文在已有框架一剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能研究的基礎(chǔ)上，針對現(xiàn)行框架-剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了一些總結(jié)和探索，基于性能、位移的抗震設(shè)計(jì)理論和方法是各國地震工程專家近年來廣泛討論的課題，希望廣泛應(yīng)用與結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中去。

圖1 結(jié)構(gòu)空間計(jì)算模型

圖2 推覆曲線

圖3 常遇烈度地震層間側(cè)移角曲線對比