钢框架-混凝土抗侧力结构的抗震性能研究

钢框架-混凝土抗侧力结构的抗震性能研究

【摘要】本文主要针对钢框架-混凝土抗侧力结构的抗震性能展开了分析，讨论了钢框架-混凝土抗侧力结构抗震性能的相关问题，深入分析了钢框架-混凝土抗侧力结构的抗震效果。

【关键词】钢框架-混凝土；抗侧力结构；抗震；性能

一、前言

钢框架-混凝土抗侧力结构在我国应用较为广泛，因此，分析钢框架-混凝土抗侧力结构的抗震性能就尤为重要，这关乎钢框架-混凝土抗侧力结构的使用效果和使用质量。

二、钢板混凝土剪力墙的种类

钢板混凝土剪力墙在组成上主要分为:钢框架加内嵌钢板，再在钢板上贴混凝土墙板的偏向于钢结构的钢板混凝土剪力墙;钢框架加内嵌钢板，再整体现浇混凝土的偏向于混凝土结构的钢板混凝土剪力墙。

传统的组合钢板剪力墙，预制混凝土板与钢板叠合在一起，共同抵抗水平荷载。混凝土板与钢板之间通过栓钉连接，且混凝土板与周边框架之间没有缝隙。在水平荷载作用下，混凝土板角部与钢框架发生挤压变形，导致混凝土板角部提前开裂或者压碎，栓钉周围的混凝土在循环往复荷载作用下，也很快压碎剥落。因此在加载后期，失去混凝土板保护的内嵌钢板，表现出和非加劲钢板剪力墙墙板一样的力学性能。

三、钢框架-混凝土剪力墙设计存在的问题

1、混凝土剪力墙的刚度退化将加大钢框架的剪力。在水平地震力作用下，由于钢框架的抗侧移刚度远小于混凝土剪力墙，钢框架承担的水平剪力除顶部几层接近20%楼层总剪力外，中部及下部约为相应楼层剪力的15%左右。在反复地震的持续作用下，结构进入弹塑性阶段时，剪力墙产生裂缝后，抗推刚度大幅度降低，而钢框架由于弹性极限变形角大于混凝土剪力墙甚多，虽然此时的水平地震作用要小于弹性阶段，但钢框架仍有可能要承担比弹性阶段大得多的水平地震剪力和倾覆力矩。因此，需要调整钢框架部分所承担的水平剪力，以提高钢框架的承载力，并采取措施提高混凝土剪力墙的延性，如何定量地进行这种调整有关钢结构规范尚未明确，目前只能依据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2002）的8.1.4条进行调整。

2、混凝土剪力墙的施工先于钢框架，而混凝土的施工误差限值大于钢结构允许误差甚多。当钢梁与混凝土墙采用预埋钢板相连时，这些钢板预埋件在平面和竖向标高的位置，不仅受混凝土墙体偏移的影响，而且受预埋件移位的影响，其误差值远大于钢梁加工尺寸的允许误差。因此，应在设计上采用适应性较好的

连接方法。

3、由于目前钢结构防火涂料价格不菲，而钢结构防火又至关重要，这将是影响钢结构推广的一大障碍。发展价格低廉、防火性能好、施工方便的钢结构防火材料是当务之急。

四、计算模型

本文采用SAP2000有限元分析程序进行水平地震作用下的钢框架一混凝土剪力墙结构弹性反应分析。

如图1所示，周边钢框架的梁柱采用三维空间杆单元，核心筒和楼板采用壳单元。假定楼板的刚度无限大，地震响应分析采用反应谱的振型叠加法，水平地震作用为Y方向。

本文考虑了2种混合结构体系，体系I为钢框架一混凝土核心筒结构，体系Ⅱ为钢框架一混凝土剪力墙结构，分析了框架柱柱距变化对各结构体系受力的影响。假定结构位于8度强震区，场地土为Ⅲ类，设计地震分组为第1组。该结构地上11层，层高为3m，无地下室。柱子和梁均采用Q235的H型钢，柱脚刚接，钢梁和混凝土剪力墙的连接视为铰接，周边钢框架的梁柱连接则用刚接。混凝土剪力墙和楼板的标号分别为c40和c25。

图1结构的标准层平面图

图1左为体系I的计算模型，横向第1、3跨的柱距为5m，横向剪力墙长度为5．5m。计算时仅改变第1跨和第3跨的柱距，剪力墙和体系纵向的跨度尺寸保持不变。图1右为体系Ⅱ的计算模型，剪力墙的横向长度为5m，横向第2跨的长度为5m，计算过程中只改变横向第2跨尺寸，而其它开间和进深都保持不变。表1为体系I和体系Ⅱ梁和柱的尺寸。

表1梁柱计算参数

五、计算结果与结论

由整体分析计算结果可以看出，当框架截面不变时，结构的最大层间位移随着柱距的增大而增大；当框架柱的柱距保持不变时，结构的最大层间位移随着截面的增大而减小。柱距变化的情况下，抗震校核所得到的轴压比普遍大于整体分析的结果。整体分析和美国抗震校核方法计算的轴压比随着柱距的变化接近线性

变化。而中国抗震校核方法所得轴压比曲线斜率随柱距的增大而增大，轴压比的变化规律复杂。

柱距较小时，体系I的整体分析结果与我国抗震校核方法所得结果差值较大。随着柱距的增大，2个分析结果差值变小，逐渐接近。柱距为lOm时，截面3和截面4的轴压比相同。体系Ⅱ没有出现整体分析与抗震校核所得的轴压比接近的趋势。

对于钢框架一混凝土核心筒结构体系和钢框架一混凝土剪力墙结构体系，当框架柱截面为截面1时，按中国抗震规范进行校核所得轴压比皆大于按美国抗震规范进行校核所得者，中国校核方法偏于安全。当柱子截面增大后，对钢框架一混凝土核心筒结构体系，柱距较小时中国规范校核方法偏于安全，柱距较大情况下美国规范校核方法更为安全；而对于钢框架一混凝土剪力墙结构体系，按中国规范方法校核柱距较大的框架相对安全，按美国规范方法校核柱距较小的框架更为安全。

本文通过计算分析，得到以下结论：

1、多遇地震荷载作用下2种结构的最大层间位移变化规律为：框架截面不变时，结构的最大层间位移随着柱距的增大而增大；框架柱距不变时，结构的最大层间位移随着截面的增大而减小。

2、当结构体系的框架截面不变时，按整体分析，中国和美国抗震校核方法所得的最大轴压比都随柱距的增大而增大，且抗震校核方法所得轴压比普遍大于按整体分析得到的值。

3、在框架截面不变时，按整体分析和按美国抗震校核方法所得的最大轴压比与柱距的关系基本上是线性的。

4、本文所选取的框架截面形式和尺寸，按中国抗震校核方法所得轴压比随柱距变化的增幅是增大的。

5、对于柱距大于6m的钢框架一混凝土核心筒结构体系和柱距为6m一8m的钢框架一混凝土剪力墙结构体系，按美国抗震校核方法所得轴压比一般大于按中国抗震校核方法所得的值。建议在上述情形下的结构设计采用两国校核方法。

六、剪力墙结构设计注意事项

1、对剪力墙结构，《建筑抗震设计规范》、《混凝土结构设计规范》、《高层建筑混凝土结构技术规程》都有一些规定，高规的内容要多一些，且有关于短肢剪力墙的规定（7.1.2条共8款）。一般剪力墙为hw（墙肢截面高度，个人认为此应称为“墙肢长度”，与高规表7.2.16注1及抗震设计规范6.4.9条与表6.4.7注4、混凝土结构设计规范表11.7.15注4统一）/bw（墙肢截面厚度）＞8，墙肢截面高度不宜大于8m，较长的剪力墙宜开设洞口（即所谓结构洞）（高规7.1.5条）。

短肢剪力墙hw/bw=5（认为按老习惯取4较合理）～8，抗震等级应提高一级。hw/bw＜5（认为按老习惯取4较合理），即为异形柱。L形、十字形剪力墙等，只要其中的一肢达到一般剪力墙的要求，则不应认为是短肢剪力墙。

2、高规7.1.1条规定“剪力墙结构的侧向刚度不宜过大”，如果采用全剪力墙结构，即除门窗洞外均为剪力墙，无一片后砌的填充墙，第一周期只有1.02秒，侧向刚度过大，使地震作用过大，不经济，不合理。

3、关于底层剪力墙的厚度：高规7.1.2条规定“高层建筑结构不应采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构”，当短肢剪力墙较多时，其第2款规定“抗震设计时，筒体和一般剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于总底部地震倾覆力矩的50％”。SATWE程序在计算时，是将各个墙肢的高厚比进行单独计算，凡hw/bw=5～8，即归入短肢剪力墙，这样算得的短肢剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩就可能容易大于50％。而TAT程序在计算时，是将L形等剪力墙等只要其中的一肢达到一般剪力墙的要求，则不归入短肢剪力墙，在相同的结构中，这样算得的短肢剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩就有可能不大于50％，建议宜按TAT计算该项指标。

4、在短肢剪力墙较多的剪力墙结构中，多数设计人员将较短的墙段都画为约束边缘构件或构造边缘构件，将计算需要的纵向钢筋均匀配置在整个墙段内，这是不妥的，因为配置在墙肢中和轴附近的钢筋并不能发挥作用，因此纵向钢筋应向墙肢端部集中，宜打印剪力墙边缘构件配筋计算结果复核。抗震设计规范

6.4.9条规定：“抗震墙的墙肢长度不大于墙厚的3倍时，应按柱的要求进行设计，箍筋应沿全高加密”，SATWE等程序在计算时也是照此条规定办理。如墙厚为200mm，墙肢长度600～800mm，虽然墙肢长度达到墙厚的3～4倍，认为仍宜按柱配筋。

七、结束语

综上所述，钢框架-混凝土抗侧力结构的抗震性能研究必须要深入和科学，结合当前钢框架-混凝土抗侧力结构的特点以及使用的情况，综合分析钢框架-混凝土抗侧力结构的抗震效果。

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