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    框架剪力墙结构在化工行业建筑中的应用

    时间:2023-01-16 21:15:04 来源:雅意学习网 本文已影响 雅意学习网手机站

    常梦宇

    (天津渤化工程有限公司,天津 300193)

    现在我国在建筑物规模体量上的增大和建筑高度的逐步增高,导致现代建筑结构设计遇到的困难和问题越来越多。

    建筑结构的设计和施工中不能在实际操作中有任何的失误和偏差,否则就会给整个建筑的安全带来很大的问题。

    框架-剪力墙结构在实际应用中具有抗震性能好、抗侧刚度大与侧向位移小等特点,使建筑在今后的使用比其他的建筑形式更具有稳定性和安全性,并且可以降低现场施工中的成本费用。

    本文分析了框架-剪力墙的概念和特性,对框架-剪力墙在化工行业厂区建设中的设计和施工进行了简要的解析。

    1.1 框架-剪力墙结构概述

    剪力墙就是在建筑内的隔墙或者外墙的地方布置一道强度较高的钢筋混凝土墙。

    剪力墙对本体建筑物只产生重力的影响,但可以承担建筑中所产生的水平剪力和弯矩,因为这些墙体的设计目的主要是为了承担房屋或构筑物因大风或地震所引起的水平方向的力, 所以被称为剪力墙。

    框架-剪力墙的设计方式是指在普通的框架结构中设置一定数量的钢筋混凝土墙而形成的一种混合型的双重结构体系,这样设计可以有效地控制建筑受到的水平力。

    在建筑设计中采用这种组合型的结构,建筑的性能不仅会具有剪力墙结构抗剪性强的优点,也会带有普通框架结构灵活性高的优势,使用这种方法进行设计建筑内部结构可以更好地承担起本身内部的应力荷载[1]。钢筋混凝土是用作制造框架剪力墙的主要材料,这使它的承载能力显著提高,并给建筑内部空间带来了稳定性, 使结构的整体呈刚硬性的特点,建筑的抗震性能也得到了显著提升。

    在高层建筑中加入框架-剪力墙结构, 既能满足大型化工厂区员工的办公需求, 又节省办公区域占地面积,也可以使内部结构更加方正,还为业主室内装修提供了便利,从而满足对于业主不同房间功能性的要求。

    1.2 框架-剪力墙结构与框架结构的区别

    1.2.1 结构形式不同

    1)框架-剪力墙结构属于剪弯型变形。

    对于框剪结构, 由于两种结构协同工作变形协调,形成了弯剪变形,从而减小了层间相对位移比和顶点位移比,提高了结构的侧向刚度。

    2)框架结构的变形则是剪切型,上部层间相对变形小,下部层间相对变形大。

    剪力墙结构的变形为弯曲型,上部层间相对变形大,下部层间相对变形小。

    1.2.2 受力特点不同

    由于框架-剪力墙结构中的剪力墙侧向刚度比框架的侧向刚度大得多, 在水平荷载作用下,一般情况下,约80%以上用剪力墙来承担。

    因此,使框架结构在水平荷载作用下所分配的楼层剪力,沿高度分布比样均匀,各层梁柱的弯矩比较接近,有利于减小梁柱规格,便于施工。

    2.1 框架-剪力墙结构在实际设计中的布置原则

    2.1.1 最大适用高度

    抗震设防烈度为6 度的地区,建筑最大适用高度为130m; 在抗震设防烈度为7 度的地区,建筑最大适用高度为120m;
    在抗震设防烈度为8 度(0.2g)的地区,建筑最大适用高度为100m;
    在抗震设防烈度为8 度(0.3g)的地区,建筑最大适用高度为80m;
    在抗震设防烈度为9 度的地区,建筑最大适用高度为50m。

    2.1.2 确定房屋抗震等级

    抗震设防烈度为6 度且建筑高度小于等于60m 时,框架抗震等级取四级,剪力墙抗震等级取三级;

    抗震设防烈度为6 度且建筑高度大于60m 时,框架抗震等级取三级,剪力墙抗震等级取三级;
    抗震设防烈度为7 度且建筑高度小于等于24m 时,框架抗震等级取四级,剪力墙抗震等级取三级;

    抗震设防烈度为7 度且建筑高度25~60m 之间时,框架抗震等级取三级,剪力墙抗震等级取二级;
    抗震设防烈度为7 度且建筑高度大于60m 时,框架抗震等级取二级,剪力墙抗震等级取二级;
    抗震设防烈度为8 度且建筑高度小于等于24m 时,框架抗震等级取三级,剪力墙抗震等级取二级;

    抗震设防烈度为8 度且建筑高度25~60m 之间时,框架抗震等级取二级,剪力墙抗震等级取一级;
    抗震设防烈度为8 度且建筑高度大于60m 时,框架抗震等级取一级,剪力墙抗震等级取一级;
    抗震设防烈度为9 度且建筑高度小于等于24m 时,框架抗震等级取二级,剪力墙抗震等级取一级;

    抗震设防烈度为9 度且建筑高度25~60m 之间时,框架抗震等级取一级,剪力墙抗震等级取一级。

    2.1.3 在建筑物内部应采用双向布置

    在建筑内部应该设置不同方向的剪力墙,一般为横竖双向布置,从而避免剪力墙单向结构布置导致建筑物整体结构重心单侧偏移。

    当剪力墙按两个方向布置并相互连接时,纵墙可作为横墙的翼缘,从而提高建筑在实际使用中承受各个方向的内力强度。

    2.1.4 外墙开洞应采用拉通对直

    拉通对直是指在设计建筑开孔时,其中窗户及门等洞口上下对齐,在建筑物整体上形成了明确的连梁与各层墙肢之间的受力明确直观,并且可以在设计工作中使计算变得简单明确减少错误。

    摩擦剪力墙和叠加错层墙不利于抗震,所以在日常设计中要尽量的避免此类设计。

    2.1.5 竖向贯通

    剪力墙应垂直放置于建筑物的内部并竖向贯通整个建筑高度,墙壁厚度和混凝土等级应该在建设中随建筑物的高度及规模进行具体的调整, 具体操作可以减少部分墙肢来达到设计要求。

    避免各层刚度发生变化整体上不统一,导致建筑物内部应力集中作用于结构中其中的某一点,从而导致建筑结构发生损坏和坍塌。

    2.1.6 设计时要避免建筑物内部应力过大从而产生裂缝

    因为建筑物结构主梁直接布置在承载剪力墙之间的连梁上,这样的强大的承载力有可能会导致楼面主梁端部约束达不到要求,从而使连梁本身剪切力受到的应变较大,所以不要这样进行设计及施工,否则容易出现建筑结构本身出现裂缝的现象。

    总结:在我国施工标准中规定,独立墙的总高度与各截面高度的比值不得小于2 这个数值。在即将施行的新规范中对荷载取值以及荷载分项系数进行了修改, 并且设计时要了解剪力墙在建筑中受力和抗力的要点, 剪力墙结构的设计及施工应该参照上方所述的几个设计要点, 已达到减少建筑物在日常使用中发生结构性损坏的目的。

    2.2 框架-剪力墙结构的连梁钢筋配置

    2.2.1 剪力墙墙身竖向钢筋

    首层的墙身纵筋长度等于墙身内的基础插筋(由基础厚度的不同可分为两种情况)加上首层层高再加上伸入上层部分墙体内钢筋的搭接长度(搭接的长度取决于建筑物内钢筋的机械连接方式)[2]。

    1)当基础厚度大于lae 时,基础插筋长度=lae+Max{6d,150}。

    2)当基础厚度小于lae 时,基础插筋长度=基础厚度-保护层+15d。

    A. 中间层墙身竖向钢筋长度=本层层高-露出本层的高度+伸出本层楼面外露的长度+与上层钢筋连接部分。

    B. 顶层墙身竖向的钢筋长度=本层层高-露出本层的高度-板厚+顶层锚固长度。

    墙身竖向钢筋根数=剪力墙净长/间距+1 (墙身竖向钢筋从暗柱、端柱边50mm 开始布置)。

    C. 当剪力墙墙身有洞口时, 墙身竖向筋会在洞口上下两边截断,分别横向弯折15d。

    2.2.2 剪力墙墙身拉筋

    1)剪力墙墙身拉筋长度=剪力墙墙厚-剪力墙外侧保护层+剪力墙内部钢筋弯钩(弯钩长度=2×11.9d+2×d)

    2)剪力墙墙身拉筋根数=剪力墙墙身墙净面积/剪力墙墙身拉筋的布置面积

    2.3 框架-剪力墙结构在使用PKPM 的设计范例

    2.3.1 在计算机中使用PKPM 建模时, 按照轴线尺寸、设计信息以及荷载输入建模,其中因为将楼梯窗放置于楼板中间位置外部会比较美观,但是在结构设计中按普通的开洞方式设置剪力墙及计算会有很多不便, 所以我们在此类设计中可以先把楼梯窗的洞口分成上下两块, 洞口对齐置于楼板上下两侧, 这样的话组装在一起就可以形成楼梯的窗洞, 从而减少结构设计中计算的难度[3]。

    2.3.2 剪力墙连梁可以用两种布置方式进行设计,可以分为输入普通梁方式和开洞方式。

    其中按普通梁输入布置,梁间荷载布置较方便,但两端需添加节点导致不便, 采用挖洞方式的话,不需要添加节点,但添加荷载时较不便。

    在实际设计中选用哪种布置方式进行设计可以看剪切变形的具体变化。

    剪切变形的变化大,在实际设计中可以采用开洞方式,剪切变形的变化小,在实际设计中则可以采用输入梁方式。

    具体数值可参考连梁的跨高比来进行选择。

    跨高比>5,可以选择输入梁方式进行设计,如果跨高比≤5,则选择开洞方式进行设计。

    目前软件还不能修改单个剪力墙的计算规则,如果某剪力墙与其他剪力墙计算规则不同时,只能手工计算相差部分在表格里输入。

    剪力墙的轴力也是要整体分析才能准确知道的,轴力都不知道前怎么算轴压比? 墙肢的长短要看整体分析的侧刚分布状况来进行调整的,不是根据轴压比和配筋来定墙肢的长短的。

    2.3.3 在剪力墙上设置挑梁,1)顺着剪力墙在剪力墙端向外伸出的。

    挑梁的纵向钢筋可顺着剪力墙直锚,不宜弯锚进剪力墙的边缘暗柱;
    2)垂直于剪力墙在剪力墙端向外伸出的又有两种可能,①挑梁的纵向钢筋可弯锚进剪力墙的边缘端柱(不可以是剪力墙的边缘暗柱);
    ②挑梁是框架梁的外伸悬挑, 此框架梁以剪力墙的边缘端柱作为端支座,此时,挑梁的纵向钢筋应拉通框架梁支座负筋,不应弯锚进剪力墙的边缘端柱。

    关于锚固长度的计算,一样服从规范关于受拉钢筋锚固的规定,没有例外,即直锚LaE、弯锚≥0.4LaE 加上15d。

    其中,LaE 查11G101-1 第53 页表;

    d 为纵筋直径。

    框架-剪力墙结构可以使空间使用更加灵活,能够满足不同建筑功能的要求,并且它的剪力墙又具有相当大的刚度,有效的结合了框架结构和剪力墙结构的优点,是两种结构的互补。

    剪力墙在下层结构中的位移较小,剪力墙承受大部分的水平力,然而在上层结构中,剪力墙位移偏大,而框架的位移则有内收的趋势,框架部分除了负担荷载产生的水平力外,还额外负担了把剪力拉回来的附加水平力,剪力墙不但不承受荷载产生的水平力,还因为给框架一个附加水平力而承受负剪力,所以,上层结构即使外荷载产生的楼层剪力很小,框架中也出现相当大的剪力[4]。

    框架-剪力墙结构中的剪力墙可以单独设置, 也可以利用电梯井、楼梯间、管道井等墙体。

    框架-剪力墙结构能够更有效合理的灵活利用使用空间,满足业主不同使用需求, 最大化的利用空间结构,因此更适用于大型化工厂区中的高层办公楼等建筑。

    近年来, 随着全世界科学技术的飞速发展,人们对科学技术的认识越来越深刻。

    在新材料、新算法等设计的不断更新变化中, 框架-剪力墙结构由于其柔性稳定、整体性好、抗侧刚度大、抗侧力性能好等特点,可以有效灵活地改善建筑物内部空间的利用,提高建筑物的承载能力,更有效地保证建筑物的安全, 框架-剪力墙结构的施工技术是目前实际设计中采用的最广泛的结构方式之一。

    然而从实际的工程建设现状来看,还存在许多问题和不足,还有许多实际性、操作性难题有待解决。

    本文仅简述了在实际设计时,所需要的某些注意事项及设计方式方法,为在现实设计中提供简要的思路及设计方向。

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