框剪結(jié)構(gòu),即框架-剪力墻結(jié)構(gòu)或框架-抗震墻結(jié)構(gòu),常用于多層、高層建筑物中,如住宅、商場、辦公樓。隨著社會不斷發(fā)展,土地越來越寶貴,土地利用率也隨著不斷提高,因而框剪結(jié)構(gòu)的使用也越來越廣泛。
某舊村改造住宅小區(qū),建筑物多為框剪結(jié)構(gòu)
框剪結(jié)構(gòu)是介于框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)之間的一種受力體系,框剪結(jié)構(gòu)相對后兩種結(jié)構(gòu)—有相同的地方,如:計算要求、構(gòu)造規(guī)定、有效質(zhì)量系數(shù)等;也有不同的地方,接下來小編以以PKPM2010(V3.1.6版)軟件模型為例分析:
一、軸壓比
“軸壓比”的定義見《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(后文簡稱《高規(guī)》)中第6.4.2條、表7.2.13注釋。
軸壓比公式為:U=N/(A*fc)
U,軸壓比,對非抗震地區(qū),u=0.9
N,軸力設(shè)計值
A,截面面積
fc,混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值
和框架結(jié)構(gòu)一樣,規(guī)范對框剪結(jié)構(gòu)也有軸壓比要求,但框剪結(jié)構(gòu)軸壓比涉及到約束構(gòu)件,因此在滿足柱軸壓比限制的條件下,還需滿足墻軸壓比限制。
《高規(guī)》第6.4.2條、表7.2.13和表7.2.14如下規(guī)定:
在軟件計算結(jié)果中的查看位置:Satwe結(jié)果查看/軸壓比
在實際工程一住宅樓A(6度區(qū),該樓抗震等級:框架四級、剪力墻三級、轉(zhuǎn)角窗處剪力墻二級)的模型分析中,其計算分析結(jié)果見下圖:
該模型中:柱,四級抗震,均小于0.95;墻,二級或三級抗震,均小于0.60。因此,該模型中柱、墻軸壓比均滿足規(guī)范要求。
抗震設(shè)計時,限制框架柱的軸壓比主要是為了保證柱的延性要求。軸壓比越大,豎向構(gòu)件柱、墻的延性越差,地震中受到的破壞程度越大。可以想象,建筑物的豎向構(gòu)件柱、墻已遭到破壞,梁板的坍塌也隨著而來。事實上,不僅框剪結(jié)構(gòu),其它結(jié)構(gòu)體系的豎向構(gòu)件軸壓比都是非常重要的。
當(dāng)不滿足要求時的調(diào)整方法:1、精確計算、減小豎向荷載(軸壓力)。2、增大豎向構(gòu)件柱、墻截面。3、提高豎向構(gòu)件柱、墻混凝土強度等級。
二、周期比
“周期比”的定義見《高規(guī)》中第3.4.5條。
周期比公式為:Tt/T1
Tt,扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期
T1,平動為主的第一自振周期
《高規(guī)》第3.4.5條如下規(guī)定:
在軟件計算結(jié)果中的查看位置:Satwe結(jié)果查看/文本查看/舊版文件查看/2.周期振型地震力
還是以該實際工程一住宅樓A為例,其計算分析結(jié)構(gòu)見下圖:
該模型中,周期比Tt/T1=0.5624/0.8066=0.6972<0.9,滿足要求。
控制結(jié)構(gòu)的周期比主要是限制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。建筑物抗扭剛度太弱、扭轉(zhuǎn)效應(yīng)過大,在地震中往往會遭到嚴(yán)重的破壞。
三、樓層位移比
“樓層位移比”的定義和規(guī)范要求同樣見《高規(guī)》中第3.4.5條,注意“不宜”和“不應(yīng)”的區(qū)別。
在軟件計算結(jié)果中的查看位置:Satwe結(jié)果查看/文本查看/舊版文件查看/3.結(jié)構(gòu)位移
該實際工程一住宅樓A的計算分析結(jié)果,見下圖:
該模型中,各種荷載組合的工況下,X方向(或Y方向)最大層間位移與平均層間位移的比值應(yīng)不大于1.5。如圖,工況17、18、19的條件下“位移比”為1.12、1.09、1.24,滿足規(guī)范要求。
(說明,絕大部分建筑屬于A類建筑。A類建筑和B類建筑的區(qū)分,詳見《高規(guī)》3.3.1條。)
控制結(jié)構(gòu)的樓層位移比和前文中提到的周期比類似,主要也是限制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。除了限制結(jié)構(gòu)的抗扭剛度不能太弱,還需要限制結(jié)構(gòu)平面布置的不規(guī)則性,同時還要求其合理性和有效性,避免產(chǎn)生過大的偏心而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。計算時考慮偶然偏心但不考慮雙向地震。
當(dāng)不滿足要求時的調(diào)整方法:1、改變結(jié)構(gòu)平面布置形式,減小結(jié)構(gòu)形心和剛心的距離,使模型剛度盡量均勻布置。2、“對陣下藥”,從“Satwe結(jié)果查看”中根據(jù)節(jié)點搜索,找出位移過大的節(jié)點,增加其剛度。比如,梁改為墻、增加豎向構(gòu)件墻柱的截面。
四、層間位移角
“層間位移角”的定義來見《高規(guī)》第3.7.3條條文說明。
《高規(guī)》第3.7.3條如下規(guī)定:
在軟件計算結(jié)果中的查看位置:Satwe結(jié)果查看/文本查看/舊版文件查看/3.結(jié)構(gòu)位移
該實際工程一住宅樓A的計算分析結(jié)果,見下圖:
該模型中,工況8和工況9下各樓層彈性層間位移角均滿足規(guī)范要求。
控制結(jié)構(gòu)的層間位移角目的是控制結(jié)構(gòu)的抗側(cè)向剛度,避免產(chǎn)生過大的位移而影響結(jié)構(gòu)的承載力和穩(wěn)定性。計算時不考慮偶然偏心也不考慮雙向地震。
當(dāng)不滿足要求時的調(diào)整方法:1、改變結(jié)構(gòu)平面布置形式,減小結(jié)構(gòu)形心和剛心的距離,使結(jié)構(gòu)剛度盡量均勻布置。2、增加豎向構(gòu)件的剛度,比如增加墻、柱截面,形成“強柱弱梁”的結(jié)構(gòu)體系。
五、剛重比
“剛重比”的定義見《高規(guī)》5.4.4條文說明。
《高規(guī)》第5.4.1如下規(guī)定:
如果不能滿足,則需考慮重力二階效應(yīng)對水平力作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的不利影響,即滿足《高規(guī)》中5.4.3條規(guī)定。
因此在PKPM軟件計算“Satwe分析設(shè)計/設(shè)計信息”中勾選“P-Δ效應(yīng)”。此外還需滿足《高規(guī)》第5.4.4條規(guī)定,如下:
在軟件計算結(jié)果中的查看位置:Satwe結(jié)果查看/文本查看/舊版文件查看/1.結(jié)構(gòu)設(shè)計信息
該實際工程一住宅樓A的計算分析結(jié)果,見下圖
該模型中,在規(guī)定水平力和風(fēng)荷載的作用下,不需考慮重力二階效應(yīng)。
控制“剛重比”以及考慮重力二階效應(yīng),其目的還是為了保證高層建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性,在風(fēng)荷載或水平地震作用下,避免結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)、倒塌。剛重比不滿足要求,說明結(jié)構(gòu)的剛度相對重力荷載過小。
當(dāng)不滿足《高規(guī)》式5.4.4-1要求時,調(diào)整方法:1、應(yīng)調(diào)整并增加結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度。2、增加豎向構(gòu)件的剛度,如墻、柱的截面。
六、剛度比
在定義“剛度比”之前,先定義一個概念——軟弱層。
《高規(guī)》第3.5.2-2條如下規(guī)定:
剛度變化不符合《高規(guī)》第3.5.2條要求的樓層一般稱作軟弱層。
軟弱層的形成原因是高層建筑下部樓層的側(cè)向剛度小于上部樓層的側(cè)向剛度,變形集中于剛度小的下部樓層而形成。
在軟件計算結(jié)果中的查看位置:Satwe結(jié)果查看/文本查看/舊版文件查看/1.結(jié)構(gòu)設(shè)計信息
該實際工程一住宅樓A的計算分析結(jié)果,見下圖
該模型中,剛度比符合規(guī)范要求,不存在軟弱層。
當(dāng)不滿足《高規(guī)》3.5.2-2條要求時,調(diào)整方法:1、如果某樓層剛度比的計算結(jié)果不滿足要求,SATWE自動將該樓層定義為薄弱層,并按將該樓層地震剪力放大1.25倍。2、可適當(dāng)降低本層層高和加強本層墻、柱或梁的剛度,適當(dāng)提高上部相關(guān)樓層的層高和削弱上部相關(guān)樓層墻、柱或梁的剛度。
七、層間受剪承載力比
《高規(guī)》3.5.3條如下規(guī)定:
承載力變化不符合《高規(guī)》第3.5.3條要求的樓層,一般可稱作薄弱層。薄弱層的形成原因是樓層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的承載能力突變。
在軟件計算結(jié)果中的查看位置:Satwe結(jié)果查看/文本查看/舊版文件查看/1.結(jié)構(gòu)設(shè)計信息
該模型中,層間受剪承載力比符合規(guī)范要求,不存在薄弱層。
當(dāng)不滿足要求時的調(diào)整方法:1、在“SATWE分析設(shè)計中”的“調(diào)整信息2”中的“指定薄弱層個數(shù)”中填入該樓層層號,將該樓層強制定義為薄弱層,SATWE該樓層地震剪力放大1.25倍。2、可適當(dāng)提高本層構(gòu)件強度,如豎向構(gòu)件如墻、柱加大截面或提高混凝土強度以提高本層墻、柱等抗側(cè)力構(gòu)件的承載力,或適當(dāng)降低上部相關(guān)樓層墻、柱等抗側(cè)力構(gòu)件的承載力。
工程中應(yīng)避免出現(xiàn)軟弱層和薄弱層,而且某一樓層不能即是軟弱層又是薄弱層。
本文所列工程,其模型的樓層拼裝圖
此外,實際工程中調(diào)整模型只是框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計的部分工作。還有,框剪結(jié)構(gòu)存在“底部加強區(qū)域”這一概念,設(shè)計過程中要注意。再有,豎向構(gòu)件中可能存在短肢剪力墻,在實際工程中也要注意其配筋。本文中提到的“增加豎向構(gòu)件如墻、柱截面”在實際工程中往往要和同一項目建筑設(shè)計專業(yè)的同事商量,所以要綜合考慮問題才能最終的解決問題。