高烈度区框架结构分析与设计

高烈度区框架结构分析与设计

邸云卫1

苏州建设（集团）规划建筑设计院有限责任公司  江苏苏州 215000

【摘 要】 结合工程项目情况，分析高烈度区多层混凝土结构采用框架支撑结构或框架剪力墙结构的合理性，简化处理夹层结构中斜板引起的斜墙效应影响，高烈度区地基基础设计时采用桩基础处理地基压缩层液化土。

【关键词】框架支撑结构; 框架剪力墙结构; 桩基；地基液化

【Abstract】combined with the project situation, this paper analyzes the rationality of adopting frame-supported structure or frame-shear wall structure in multi-story concrete structure in high-intensity area, and simplifies the treatment of inclined wall effect caused by inclined plate in sandwich structure, in the design of foundation in high intensity area, the pile foundation is used to treat the liquefied soil in the compressed layer of foundation.

[ key words ] frame support structure; frame-shear Wall Structure; Pile Foundation; foundation liquefaction

1项目概况

本项目所处场地抗震设防烈度8度，基本地震加速度峰值0.30g,场地类别为Ⅲ类，场地特征周期0.55s；建筑物抗震设防类别为重点设防，建筑结构安全等级为二级，设计基准期为50年。基本风压0.35KN/M2，基本雪压0.40KN/M2,，建筑桩基设计等级乙级。

2  结构选型

框架结构[1]最大适用高度为35m，框架抗震墙结构最大适用高度为80m。框架结构和框架抗震墙结构均适用于本工程，框架结构采用双向梁柱刚接的抗侧力体系承担水平地震作用和风荷载作用，水平抗侧刚度是由梁柱的抗弯刚度提供的，通过调整梁柱截面调整结构整体刚度；框架抗震墙结构水平地震和风荷载由框架和抗震墙共同承担，抗震墙布置在两主轴方向，一般布置在楼电梯间，由于抗震墙水平刚度较框架大，所以抗震墙附近框架由于吸收较多地震力，抗震墙周边框架很难满足计算要求；框架支撑结构为介于框架结构和框架抗震墙中间的结构体系，本结构体系是支撑结构替代抗震墙结构，可以有效降低局部刚度集中，更好的使框架和支撑结构协同受力。

3  抗震计算分析

结构二层平面布置图

结构平面布置如上图所示意，抗震墙位置和支撑位置统一，二层平面布置图中所圈红线区域为钢支撑或抗震墙区域，和钢支撑相连框架柱为型钢混凝土柱，相应框架梁为型钢混凝土梁，结构模型主要构件计算截面如下表一。

表一

框架结构柱截面尺寸由于框架结构刚度计算需要，特别东西侧端部由于侧移较大需要截面尺寸为1350x1350，中间框架柱截面尺寸1050x1050,一、二层楼层层高为5.4m,屋顶层为9m，楼层高度相差比较悬殊势必要求顶层需要更大的抗侧力刚度，框架结构调整楼层侧向刚度只能通过框架梁柱，可以考虑的方法只能通过增大框架梁柱截面尺寸，增大框架柱整体结构刚度增大又增加了地震力，无法做到针对性的加强较薄弱的楼层，且框架柱截面增加造成局部形成了形态短柱，单柱网尺寸内受限于框架柱截面无法做到停放三辆机动车要求。框架剪力墙结构刚度较大，可以较容易满足抗震结构设计规范刚度要求，结构构件尺寸较为合理，剪力墙布置于建筑物周边可以更有效发挥剪力墙的侧向刚度，同时加强建筑物抗扭刚度，考虑建筑外立面需求，剪力墙布置在楼梯间周边。混凝土框架钢支撑结构体系设计难点是钢支撑的合理设计，钢支撑为轴向拉压构件，轴向变形越大，钢支撑发挥的效果越好，结构设计时根据建筑物变形特点确定钢支撑位置，总体上混凝土钢支撑结构刚度介于框架和框剪之间。三种结构体系多遇地震下结构计算指标详见表二。

表二

计算结果表明框架结构整体质量较大，多遇地震情况下基底剪力值较另外两个结构方案增加约13%，说明通过调整梁柱截面尺寸达到增加抗侧刚度效率不明显。框架剪力墙和框架支撑结构基底剪力和结构总体质量较为接近，但框架支撑体系的周期偏长，说明框架支撑的刚度相比框架剪力墙结构要小，框架剪力墙结构剪力墙倾覆力矩占比80%，框架支撑结构支撑结构倾覆力矩占比60%,支撑框架承担的地震力相比剪力墙要低，局部刚度集中现象有所缓解。框剪结构由于地震力集中于剪力墙，剪力墙抗剪计算需要增大截面，进一步造成局部刚度加大，造成剪力墙附近框架梁柱很难满足设计要求；普通钢支撑破坏形式为失稳破坏控制，为满足稳定计算要求需要增加构件计算截面，且结构进入弹塑性状态后由于支撑在受拉和受压屈曲承载力不一致，支撑屈服承载力降低较多，需要框架可以满足二道防线设计要求，所以抗震规范要求混凝土框架钢支撑结构承载力计算宜按框架和框架支撑结构包络设计[1]。屈曲约束支撑主要由无粘结材料、外约束及核心受力芯材组成，大震下可以作为耗能构件减轻地震影响，拉压工况下屈服承载力一致，较为适合高烈度地区。因此综合考虑框剪结构和框架支撑结构特点，混凝土框架+屈曲约束支撑可以有效避免以上两种结构的缺点，最终选择混凝土框架屈曲约束支撑结构。

4  楼板应力计算

结构楼板整体平面上虽然没有大的削弱，整体性较好，但是屈曲约束支撑是通过构件的轴向压缩或拉伸变形分担外部荷载的，正常支撑连接节点和梁柱交点或连接在框架梁上，楼板和框架梁整体现浇在一起，有必要分析清楚水平力在支撑、梁板之间的受力状况。下图

X向小震下楼板应力云图（N/M2）

楼板应力计算结果显示楼板最大压应力-4MPa,最大拉应力4MPa，拉应力远大于混凝土抗拉强度设计值1.43MPa，支撑附近楼板是确保水平力传递和支撑稳定的关键，因此支撑处楼板性能目标最终要求可以满足中震弹性要求。中震地震力约为小震地震力的3倍左右，楼板加厚至150mm，中震下楼板附加配筋12x100x200x1.3/360=867,板面、板底通长设置A12@200附加钢筋。

5   影院夹层设计

结构三层层高9m，建筑功能为电影院，影院座位区为结构斜板。结构斜板和主体结构连接时，由于斜板影响，抗侧力刚度明显增大，特别是由于斜板根部高度较小，框架柱成为超短柱，分担地震剪力比较大，和楼层其它框架柱比较相差比较大。地震情况下框架柱由于长短柱刚度相差太大，框架柱不能共同破坏，特别是短柱刚度大，地震剪力大，短柱屈服后地震剪力转移到尚未屈服框架柱，小震设计时长柱根据刚度分配剪力较小，承担不了二道防线的设计要求。借鉴楼梯滑动支座设计方法，设计采取斜板低端和楼层结构板之间设置聚四氟乙烯板，减少对于主体刚度的影响。地震作用本质上是惯性作用，质量轻，地震作用小，结构材料使用就比较少，合理减轻结构重量也是影院结构设计需要重点考虑的内容。综合考虑影院夹层采用钢结构体系作为主结构的子结构形式，钢结构质量轻，强度高且施工期间不需要支模是最终决定采用的根本性原因。影院夹层典型剖面如下图所示，夹层周边和主体结构之间切缝分开。填充墙问题是影院夹层设计中另外需要关注的重点问题，厚度200mm填充墙最大允许砌筑高度为6100mm，限制填充墙高度主要是基于两方面原因：墙体高厚比、墙体承载力计算。高厚比限制不满足时可以增加墙厚或者提高砌筑砂浆强度等级措施，墙厚加大，地震荷载加大；砂浆强度等级提高对于高厚比相差不大时比较有效，这两种方法都不是特别好的选择。墙体局部问题本质是平面外失稳问题，改变墙体出平面的支撑情况比整体的加厚墙体和提高材料等级更有利，《砌体结构设计规范》[2]指出当圈梁的出平面宽度满足S/30（S为横墙间距）要求时，圈梁可以作为墙体出平面支撑点，夹层标高处设计夹层梁，夹层

梁截面300x700，既可以提高结构整体刚度，有能解决墙体稳定问题。

6  基础设计

工程场区范围内的地下水类型为第四系孔隙潜水。根据勘察报告揭露的地下水位及上部结构自重计算，本工程不需要进行抗浮设计。地勘报告所揭示的土层显示地基主要压缩层范围内砂土和粉土为中等液化土，根据《建筑抗震设计规范》抗震设防类别乙类的抗液化处理措施要求，液化土层需要全部或部分处理，综合比较分析，本项目采用预制混凝土方桩基础，桩径400mm，桩端持力层为6号粉质粘土层，桩顶标高16.050m，桩端-1.950m，工程桩桩长18m,抗压承载力特征值1400KN。框架柱底部内力分析发现，地震工况下框架柱底弯矩较大，同承台下桩基反力不均匀，部分桩基由于弯矩影响，需要承担拉力，工程桩桩长18m时相应抗拔承载力特征值为550KN,桩基接桩采用销接法接桩。

7  结论

（1）结合工程实际情况计算比较分析高烈度区，框架屈曲约束支撑结构相比框架支撑结构和框架剪力墙结构在三层混凝土框架结构设计中更合理。

（2）支撑连接节点内力较大时，通过楼板应力分析发现，支撑周边楼板应做加强设计，和支撑相连框架梁、柱设计为型钢混凝土梁、柱。

（3）影院夹层结构设计时，降低夹层质量和刚度对于主体结构设计影响，可以减轻地震作用。

参 考 文 献

[1]  建筑抗震设计规范   GB50011-2010

[2]  砌体结构设计规范   GB 50003-2011

[3]  盈建科基础软件技术使用手册