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高层建筑结构设计中框剪结构问题分析

高层建筑结构设计中框剪结构问题分析

摘要:框架剪力墙结构是目前高层建筑的主要结构形式,其结构主体的设计是否合理直接影响到工程建筑抗震能力和主体结构的安全。框剪结构融合了框架和剪力墙结构的各自特点,得到了很好的互补,合理的设计能够突出该结构的优势,本文详细论述了高层建筑结构设计中框剪结构的问题分析与处理。

关键词:高层建筑;结构设计;框剪结构;分析

随着社会经济的不断发展,高层建筑结构型式的发展越来越复杂,结构设计中除了要满足规范要求,适应市场需求,并进行必要的抗震计算分析之外,最重要的就是结构概念设计。在实际设计工作中会出现各种难题,在满足功能和观感条件下,如何做到安全经济合理是我们必须要考虑的问题。

1框剪结构在高层建筑结构中的设计方法

(1)在各种约束条件下进行的最优化选择过程就是结构设计。在过程中要对结构形式和建筑材料进行综合考虑,结构体系包括框架剪力墙结构、剪力墙结构、筒中筒结构及框筒结构等,建筑材料的形式包括钢结构、钢筋混凝土结构、钢和混凝土组合结构等。高层建筑的结构主体和主要受力结构就是框剪结构,剪力墙在下部楼层中的位移较小,能够拉着建筑框架按照弯曲型曲线变形,大部分水平力由剪力墙来承受;上部楼层中位移会越来越大,外侧趋势越来越明显,框架要做内收拉着住剪力墙按照剪切型曲线变形。目前比较流行的框剪结构施工工艺是:钢筋大多是竖向对焊和直螺纹连接,砼构件成型模具可现场用木模板加工,搭设钢管脚手架进行支撑和承重。高层房屋结构中,因为结构高度增加,所以水平力(风荷载或地震作用)产生的位移及内力就会迅速增大。而在低多层结构设计中,因为水平力产生的影响很小,主要是以抵抗竖向的荷载为主,侧向位移小,所以通常可以忽略不计。

(2)上部楼层在外荷载产生楼层剪力很小的情况下,框架中也能够出现很大的剪力,这种现象是因为框架除了负担外负荷所产生的水平力之外,还要负担着拉动剪力墙的附加水平力,但是剪力墙不但不会承受任何荷载水平力,还会给框架附加水平力承受负剪力。增加高层的结构抗侧移刚度最经济、最有效的方法,就是在结构竖向平面内部增加斜向的支撑形成组合框架式的结构,这一做法在工程界已被广泛的使用。侧向位移和自振周期、保持承载力前提下的变形能力是结构刚度和结构延性对结构的影响,由此,结构的刚度和延性可以用结构整体的侧向位移量来进行协调。在高层建筑的抗风设计中,除保证结构有足够的承载力,还要有足够的刚度,要将维护结构和装饰的构件与主体结构进行可靠的连接,同时承载力必须要大,还要将风荷载作用下的位移值控制好,以确保居住和工作的条件良好。框剪结构计算的各参数及计算结果指标有极高的关联度,又与结构布局合理密切相关,因此必须有整体的考虑才能更好地解决该类结构的计算问题。

2高层建筑框剪结构设计的问题分析

(1)剪力墙数量和位置的设计最为关键,水平荷载在框架和剪力墙结构间的分配设计,决定了高层框和剪结构在水平荷载作用下如何协同工作。因对建筑外形美观的追求而限制了剪力墙布置长度和位置,造成结构位移控制成问题,同时也使剪力墙布置不均匀,使得某些连梁集中过大应力而造成抗剪不满足等。对于高层住宅剪力墙结构,可能由于本身刚度比较差,所以在发生地震时变形就会非常严重,对于地震的防御力就很低。要运用最直接、简单、清楚的计算方法对结构进行分析计算,并要将结构的受力和传力途径设计的简单、明确和直接。抗扭为主导的关键性传力构件尽量还要出现。模板也是框架剪力结构成型的重要构成,需要注意因为支设模具、模板方法不当,制作存有缺陷等因素,所导致墙体、柱的歪斜、侧移,直到影响结构墙、柱垂直度的情况。

(2)如果只在一个主轴方向布设剪力墙,就很可能造成两个主轴方向抗侧刚度产生非常大差异,而在没设置剪力墙主轴方向会因刚度的不足,无法做到与另一个主轴方向相互间的协调,导致容易在振动作用下的扭转破坏。据研究发现,在地震中受到较为严重的影响的,都是剪力墙结构在设计以和施工中存在着刚度差、质量偏心、平面存在凹凸不平等问题。将建筑物表面力作用中心和结构平面布置的正交抗侧力刚度中心还有质量重心靠近或重合,可以避免或者大幅减小在地震及风荷载作用下产生的扭转效应。

3高层建筑框剪结构设计的问题处理

(1)目前普遍使用的框架剪力墙结构,可以大幅强建筑结构的整体质量,减少侧移现象的发生。大开间的剪力墙可以将楼层最小剪力墙系数有效地控制在一定范围内,还能节约建筑成本,降低地震等对建筑物的影响。框架结构设计应使节点不要破坏,梁比柱的屈服要尽早发生。设计时不能仅在部分位置加装构件来进行支撑,否则对整体侧向刚度能力的提升范畴就显得微乎其微。为分发挥整体结构抗震能力,同一层中的各柱两端屈服历程要越长越好,底层柱底塑性铰要晚些形成,要将梁、柱端塑性铰出现尽可能的分散。在剪力墙结构设计过程中,要非常注意抗震的作用,要按照双向布置原则使受力方向的抗侧刚度逐渐接近,从而形成一个良好的空间结构,应尽量避免单向布置。要在整体考虑下进行结构布置,即使计算后也要不惜调整多次,这样才能达到结构整体受力分布更均匀,造价更经济的目标。

(2)高层建筑结构应力较复杂和相对薄弱的位置,一定要引起足够的重视。要提高、强化剪力墙结构侧向抗扭曲的程度,就要有效控制好结构周围的环境。从各角度各方面对结构进行分析,需要注意抗震等级平均轴压比所带来的影响和稳定性的相关要求。连梁容易在梁端塑性屈服并且有足够的变形能力,其在墙段充分发挥抗震作用前是不会失效的。要按照“强墙弱梁”的原则,来加强墙肢的承载能力,避免墙肢的剪切破坏以提高抗震能力。利用空间的充足性,来减轻结构的重量。要使建筑物遇到地震时达到小震不坏、中震可修、大震不倒的目标,就要通过合理的设计,使结构具备一定的塑性变形能力来吸收地震产生的能量,减弱地震破坏所带来的影响。

4结束语

框架剪力墙结构因其发挥了拥有大空间自由灵活布置的框架结构的特点,兼有剪力墙结构优点能提供较强结构抗侧能力,同时又制约了两种结构的缺点,因而被广泛地应用于各类新建高层建筑中。高层建筑框剪结构是当前施工的主要手段,是提高其发展的前提和关键。在进行框剪结构设计过程中,对设计做出进一步的优化,即可确保建筑结构能够更好的满足于建设可靠性的要求。

参考文献:

[1]张启盛.多高层框架剪力墙结构整体优化设计理论及控制因素研究[D].西华大学,2011.

[2]康珍珍.高层建筑结构体系分析及结构选型模糊决策研究[D].辽宁工程技术大学,2006.

作者:李建安 单位:广东都市建筑规划设计有限公司