简谈某剪力墙偏置的框剪结构设计要点.pdf

中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 157 简谈某剪力墙偏置的框剪结构设计要点 卢亚山 广州市番禺城市建筑设计院有限公司，广东 广州 511400 摘要：摘要：本文主要介绍广东新高规下某剪力墙偏置的框架-剪力墙结构在结构布置、计算参数、结果分析等方面的设计要点，使用 pushover 推覆分析软件进行大震下的弹塑性分析，探索结构在大震下的潜在破坏机制和寻找薄弱点进行加强，并总结此类结构体系的一些受力特点以及可采取的针对性措施。此外，还对此结构在行业 高规和广东新高规下的含钢量进行了简要的对比分析。关键词：关键词：剪力墙偏置；框剪结构；设计要点；含钢量 中图分类号：中图分类号：TU973 0 引言 框剪结构体系，由于其空间使用灵活，经常在一些高层厂房、高层办公楼使用。从结构平面布置上考虑，结构设计人员通常希望把剪力墙布置在平面中心位置，这样符合规范对平面宜简单、规则、对称的要求，可以减少偏心，减少扭转效应，对整个结构受力较有利。但有时建筑为了实现更好的采光、提高面积使用率等，将剪力墙偏向一侧布置。剪力墙偏置，使得结构刚度分布非常不均匀，带来较大的扭转效应。本文选取一个实例，介绍剪力墙偏置的框剪结构体系在广东省标准 高层建筑混凝土结构技术规程（DBJ/T 15-92-2021）（以下简称广东新高规）下的结构设计和计算分析。1 项目概述 本项目位于广州市番禺区石碁镇亚运大道，总建筑面积约 12.6 万 m2，其中地下车库面积约 2.2 万 m2。项目包括有 8 栋厂房和 1 栋宿舍楼，本文主要介绍 9栋的结构设计。9 栋为厂房，建筑高度为 62.75m，为 A级高度的高层，一共有 14 层，首层层高 8m，其余 13层层高均为 4.2m。建筑标准层功能布局如图 1。本工程结构安全等级为二级，设计使用年限为 50年，设防类别为丙类（标准设防）。本工程抗震设防烈度为 7 度，设计基本地震加速度值为 0.10g，设计地震分组为第一组，场地类别属类，特征周期为 0.35s。基本风压为0=0.60/2，建筑物地面粗糙度类别为 C 类。根据地质勘察报告，采用静压式预应力管桩基础，以强风化花岗岩作为桩端持力层，直径 700mm的管柱单桩竖向承载力特征值 Ra=3500kN。2 结构设计要点及分析 图 1 9 栋建筑标准层平面图 中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 158 2.1 结构体系与结构布置 根据建筑平面布局特点及功能要求，选用框剪结构体系，由于建筑高度 H=62.75m50m，为避免高度超限，剪力墙不能过少，底层框架部分承担的地震倾覆力矩需小于 80，尽量控制在 4060之间。对于此类结构体系，最大的难点在于剪力墙刚度相较于框架要大得多，且周边一圈框架柱由于建筑外立面要求，需要做成圆柱，结构的整体抗扭刚度比较差，而剪力墙偏置更导致平面刚度不均匀，水平变形增大，一侧墙肢受拉明显，扭转效应较突出。为避免剪力墙偏置带来过大的扭转，增加后期调整模型的工作量，初始建模试算时，周边框架梁及框架柱在建筑允许的情况下，有意识地尽量取大点的截面，中部框架柱、框架梁及连梁取较小截面，而评价扭转刚度大小的指标主要是周期比和扭转位移比。标准层结构布置如图 2。图 2 9 栋标准层结构布置平面图 2.2 主要计算参数及依据 以往的广东旧高规和行业高规抗震设计方法都是采用小震进行内力计算，通过一系列与抗震等级有关的调整系数来增大内力作为结构构件设计的依据。而广东新高规则规定采用设防烈度地震作用即中震进行结构构件设计，也明确了丙类建筑的性能设计目标和性能水准等要求。由于设计方法的不同，所以广东新高规中，一些计算参数如连梁折减系数、梁刚度放大系数等取值也与过去有所不同。设防烈度为 7 度时，结构抗震构造等级为二级，周期折减系数取 1.0，结构抗震性能目标为 C 级，中震性能水准3，大震性能水准 4。根据规范要求，第 3 性能水准的结构在设防烈度地震作用下，结构构件的抗震承载力应符合下式3.2.2-1 要求；在大震作用下，竖向构件的受剪截面宜满足下式 3.2.2-2 的要求。式3.2.2-1 =+(+0.4)式 3.2.2-2 +0-材料强度标准值计算的构件承载力标准值；-承载力利用系数，压、弯取0.74；弯、拉取0.87；-构件重要性系数，关键构件可取 1.051.15（本工程取 1.1），一般竖向构件可取 1.0，水平耗能构件可取 0.50.7（本工程取 0.6）；-地震力折减系数，取 1.0；-剪压比，取 0.15。YJK3.1.0 版提供了广东新高规的选项，只需要选择广东新 高规 后勾选性能设计中的广东规程，设定各构件的重要性系数，再在前处理分别指定“关键构件”、“普通竖向构件”及“耗能构件”即可，最终建好的模型如图 3。图 3 9 栋模型图 2.3 计算结果及分析 采用 YJK3.1.0 计算，经过多次计算比较调整后，最终大部分控制指标符合规范要求，详细情况详表 1。通过对比广东省超限高层建筑工程抗震设防专项审查实施细则，本项目不超限。其中周期比/1=0.8，扭转因子达到 0.84，扭转成分仅为 0.08，偶然偏心规定水平力下的扭转位移比最大值为 1.311.2，考虑双向地震作用，设防烈度地震作用下的层间位移角最大值为 1/6321/180，风荷载作用下结构顶点位移与结构总高度之比为 1/2770，底部规定水平力下框架承担的地震倾覆力矩百分比为 48。计算结果也基本中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 159 反映了此类结构体系的受力特点，与预想的受力模式也比较贴近。由计算结果可见，即使在剪力墙偏置较为严重的情况下，根据受力特点在结构布置方面采取合理的针对性措施，最终结构也还具有较强的抗扭刚度。此外，剪力墙在首层出现比较多墙肢偏心受拉的情况，往上逐渐减少，电梯井靠外侧墙肢从下到上均存在偏心受拉，除首层拉应力较大外，其他层拉应力均较小，但均未超过混凝土受拉强度标准值。为保证剪力墙延性，首层剪力墙边缘构件纵筋最小配筋率由1.0提高到 1.2，首层墙身竖向分布筋最小配筋率由 0.25提高到 0.3，其余层对于出现偏心受拉的剪力墙，侧适当提高其边缘构件及竖向墙身分布筋配筋率，未出现偏拉的则按规范要求不作提高。另外由于首层层高 8 米，层间受剪承载力与上层之比为 0.720.75，不满足规范要求，需要采用弹性时程分析方法进行补充计算，参考其他超限项目的做法，采用广东新高规规做弹性时程分析时，底部剪力宜调整满足中震最小剪重比再与中震 CQC 调整后的层剪力比较确定放大系数。表 1 主要指标汇总 指标项 汇总信息 最小刚度比 X 向 0.99 1.0(3 层)Y 向 1.00 1.0(17 层)楼层受剪承载力 X 向 0.74 0.75(3 层)Y 向 0.72 0.75(3 层)结构自振周期(s)X 2.0727 Y 1.9578 T 1.6560 有效质量系数 X 向 92.60 90 Y 向 91.61 90 最小剪重比 X 向 3.47 3.70(3 层)Y 向 3.97 3.70(3 层)最大位移角(地震)X 向 1/632 1/180(6 层)Y 向 1/701 1/180(7 层)最大位移角(风)X 向 1/6322 1/600(17 层)Y 向 1/3013 1/600(17 层)最大位移比 X 向 1.24 1.65(3 层)Y 向 1.25 1.65(7 层)最大层间位移比 X 向 1.27 1.65(3 层)Y 向 1.31 1.65(6 层)刚重比 X 向 7.70 1.40 Y 向 7.60 1.40 2.4 大震弹塑性分析 为了解本工程是否能达到“大震不倒”的抗震性能目标以及剪力墙偏置的框剪结构体系在大震下的潜在破坏机制并寻找其薄弱点，采取相应的加强措施，采用 PKPM 系列软件的 pushover 模块进行大震弹塑性分析。通过计算结构需求谱与能力谱，得到结构的性能点，详表 2。表 2 性能点信息 性能点 顶部位移(m)基底剪力(kN)最大层间位移角 谱加速度(m/2)等效周期(s)阻尼比 有 0.303 26726.54 1/187 0.87 3.07 0.065 由表 2 可知，层间弹塑性位移角满足规范限值1/65。性能点下基底剪力与小震基底剪力之比为 4.1，在合理的范围 35 倍之间，说明大震下结构刚度没有出现严重退化，不存在严重的薄弱层，结构布置基本合理，不需要特别加强。另外对结构重要构件在非线性分析过程中的塑性损伤情况进行评价，剪力墙底部加强区个别墙肢出现轻度损坏和轻微损坏，没有出现中度损坏，其余墙为无损坏；剪力墙底部加强区以上的楼层，出现个别墙肢轻微损坏和轻度损坏，极个别中度损坏，所占的比例也较小。作为框剪结构体系第二道防线的框架柱，仅在底部两层及顶部两层出现轻微、轻度的损坏，个别中度损坏，中间楼层较完好。由此可以判断结构在大震下能够良好发挥抗震性能，符合性能目标要求。另外，从竖向楼层分布来看，出铰率在楼层墙柱截面变化的楼层会出现变化，后续可根据出铰率的大小对竖向构件作进一步的优化调整，使其竖向刚度更加均匀，受力更加合理。3 剪力墙偏置的受力特点及调整对策（1）在竖向荷载作用下，剪力墙偏置的一侧，柱子轴力相对较小，而另一侧则相应较大，由于质心与刚心距离较远，还会产生附加弯矩，扭转效应明显。此时应尽量调节刚心的位置，通过调整梁截面、墙厚、墙布置、连梁刚度折减、外框柱截面大小等方法使刚心靠近质心，减小扭转效应。（2）在风荷载较大或者高烈度区，在较大的风荷载或水平地震作用下，剪力墙底部容易出现较大的拉应力而破坏，此时要注意提高边缘构件纵向钢筋和墙身竖向分布筋配筋率、墙柱混凝土等级，甚至设置型钢，增强竖向构件的抗拉能力。（3）增强结构抗扭刚度，主要从结构周期比、扭转位移比指标来把控调整模型。在不影响建筑情况下，周边框架梁可以尽量做高些，周边柱截面稍微做大些，将矩形柱截面的长边沿周边设置，圆柱做成方柱再外包成圆。同时弱化中间刚度，中部框架柱、框架梁截面高度做得小一些，中部连梁截面做小或分缝，连梁刚度折减系数取低值。中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 160（4）减小内墙厚度，增大外墙厚度，必要时对剪力墙进行开洞处理。外墙由于离中和轴较远，对结构刚度的贡献比内墙要大。4 广东新高规与行业高规下含钢量对比 由于两种规范在设计方法及控制指标上的差异，为了解在两种不同规范下含钢量的变化，分别取四个模型来考察梁和墙柱含钢量的变化。这四个模型，除选用规范、场地类别及个别计算参数不一致外，结构布置均一致，且各计算指标均满足各自规范要求，统计结果详表 3。表 3 不同场地类别、不同规范下的部分含钢量（单位：kg/2）对比项 构件 场地类别二类 场地类别三类 行标 高规 广东新高规 行标 高规 广东新高规 梁 16.35 16.69 17.63 18.5 墙柱 10.19 10.48 10.96 11.25 梁、墙柱含钢量之和 26.54 27.17 28.59 29.75 由表 3 可知，在二类场地下，选择不同的规范，含钢量变化不大，由于广东新高规采用中震进行构件设计，地震力有所增大，计算配筋结果也增大，故广东新高规略高；当场地类别为三类时，此时广东新高规的含钢量会更高一些，但由于两种规范在位移控制指标上有较大的区别，应根据项目具体情况综合考虑成本和指标控制方面的因素，如对风荷载较为敏感的建筑，当采用行业高规进行计算位移指标难以满足时，此时采用广东新高规会更为有利，位移较容易控制，经济性也更好。5 结语 综上所述，剪力墙偏置严重的框剪结构体系，相对剪力墙居中的布置方式，其质心与刚心的偏离，给结构带来了非常明显的扭转效应，外围墙肢受拉明显，也增加了结构设计的难点。在设计的过程中，需要更加注重概念设计，采取合理的针对性措施，降低结构扭转效应，并通过科技手段寻找结构的薄弱点进行加强，在满足建筑功能要求的同时不牺牲结构的抗震性能，从而实现安全、经济、适用的目标。而广东新高规采用中震进行结构构件设计，地震力增大使得钢筋有所增加，对于选用广东新高规还是行业高规进行设计，需要根据项目具体情况进行综合判断选择。参考文献 1广东省住房和城乡建设厅.高层建筑混凝土结构技术规程:DBJ/T15-92-2021S.北京:中国城市出版社,2021.2中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范:GB50011-2010S.北京:中国建筑工业出版社,2010.3中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑工程抗震设防分类标准:GB50223-2008S.北京:中国建筑工业出版社,2008.4钱鹏,严从志,邱介尧,等.核心筒偏置高层建筑结构受力特点及设计对策J.建筑结构,2020(18).5戴嘉琦.某核心筒偏置办公塔楼结构抗震设计J.建筑结构,2022(52).6吴宏磊,丁洁民,王世玉,等.大偏心核心筒超高层结构受力性态与设计关键技术 J.建筑结构学报,2023(1).7王宗正,章勇.剪力墙偏置高层建筑结构设计J.建筑技术开发,2021(15).8陆宜倩,冯旭光,程卫红,等.某高烈度区筒偏置办公楼结构设计J.建筑结构,2021(1).