少量剪力墙的框架结构的理解与设计建议

配置少量剪力墙的框架结构




对配置少量剪力墙的框架结构的理解与设计建议
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一、对规范规定的理解
《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2002（以下简称“高规”）第6.1.7条指出：“抗震设计的框架结构中，当仅布置少量钢筋混凝土剪力墙时，结构分析计算应考虑该剪力墙与框架的协同工作”。对“高规”的上述规定可以从以下几方面理解：
1．设置剪力墙并没有改变结构体系，是带有少量剪力墙的框架结构，属于一种特殊的结构形式，但仍是框架结构；
注意：明确结构体系的目的在于分清框架及剪力墙在结构中的地位后，其中框架是主体，是承受竖向荷载的主体，也是主要的抗侧力结构。
2．钢筋混凝土框架结构中，只是在框架结构的位移无法满足规范要求时，才设置少量剪力墙，设置少量剪力墙的目的在于满足规范对框架结构的位移限值要求；
注意：不是满足框架-剪力墙结构的位移要求，如果要满足框架-剪力墙结构的位移标准，则结构体系变为框架-剪力墙结构。
3．结构分析计算中除应按纯框架结构计算外还应考虑剪力墙与框架的协同工作。
注意：规范虽未明确要按纯框架结构计算，但对这一特殊的框架结构，现行规范和规程对钢筋混凝土框架结构的所有要求（承载力要求、弹性变形限值要求、弹塑性变形限值要求等）均应满足，因此，按纯框架结构的要求进行设计计算是必须的，同时还明确对这类框架结构应按纯框架结构和按框架与剪力墙协同工作（即按框架-剪力墙结构）分别计算，包络设计的必要性。
二、结构设计的相关问题
规范的本条规定尚未明确的问题有：
1．对布置少量剪力墙的框架结构的定量把握
布置少量剪力墙的框架结构与剪力墙较少的框架-剪力墙结构在定量上无明确的界限，如在结构位移仅能满足框架结构限值要求的前提下，可将框架和剪力墙协同工作的结构描述为“配置少量剪力墙的框架结构”，而当结构位移满足框架-剪力墙结构限值要求的前提下，又可将框架和剪力墙协同工作的结构描述为“框架-剪力墙结构”。对结构体系的定性把握的摇摆性加大了结构设计中对结构体系描述的随意性。
2．布置少量剪力墙的框架结构其适用高度规范未予以明确，加大了结构设计中的把握难度。
3．规范规定了考虑剪力墙与框架的协同工作原则，但未明确对剪力墙和框架的具体设计方法。
三、设计建议
为在结构设计中更好地把握规范，笔者提出以下设计建议供参考。
1．对少量剪力墙的定量把握原则
建议当框架的倾覆力矩 不小于结构底部倾覆力矩的75%时，可将其确定为配置少量剪力墙的框架结构，相关结构的倾覆力矩比要求见表1。
结构体系与框架倾覆力矩比（ / ）的关系 表1
结构体系 框架倾覆力矩比 对结构体系的影响程度
框架-剪力墙 / ≤0.5 框架部分的抗震等级及柱轴压比按框架-剪力墙结构中的框架确定
0.75＞ / ＞0.5 框架部分的抗震等级及柱轴压比按纯框架结构确定
少量剪力墙的框架 / ≥0.75 结构的最大适用高度可按配置少量剪力墙的框架结构确定
2．布置少量剪力墙的框架结构的最大适用高度
建议对布置少量剪力墙的框架结构的最大适用高度可比框架结构的最大适用高度适当提高，提高幅度不超过20%（注意：是在框架结构最大适用高度的基础上，增加框架-剪力墙结构最大适用高度与框架结构最大适用高度差值的20%，而不能将框架结构的最大适用高度直接放大20%）。
3．框架的设计原则
1）框架结构按纯框架结构（不计入剪力墙）和框架-剪力墙结构分别计算，包络设计。
2）框架的抗震等级按纯框架结构确定，对房屋的适用高度超出框架结构的最大适用高度（在上述2的范围内）时，可比最大适用高度的框架结构的抗震等级提高一级，已为一级的则采取比一级更更强的抗震措施（采取比一级强，比特一级低的抗震措施，如采取比一级提高20%（参考上述2的原则确定）的加强措施）。
4．剪力墙的设计原则
由于规范未明确布置少量剪力墙的框架结构的计算原则，此处列出三种对此类结构的设计方法供结构设计者选择：
1）全包络设计原则
对剪力墙按框架-剪力墙协同工作（即按框架-剪力墙结构）计算，取相应计算结果配筋设计；剪力墙的抗震等级按框架-剪力墙确定。
上述方法是施工图审查单位常提出的设计要求，其理由是：规范要求考虑剪力墙与框架的协同工作（但未明确要求对框架和剪力墙均进行包络设计）。
2）剪力墙构造
对剪力墙按框架-剪力墙协同工作（即按框架-剪力墙结构）计算，剪力墙的抗震等级取四级，剪力墙则按构造配筋设计。
设计理由：设置剪力墙的根本目的是控制框架结构的弹性位移值，并使其满足规范对框架结构弹性位移限值的要求，不考虑剪力墙的承载能力要求，因此剪力墙在满足竖向承载力要求的前提下可构造设置。
3）剪力墙按现有截面的最大设计
对剪力墙按框架-剪力墙协同工作（即按框架-剪力墙结构）计算，剪力墙的抗震等级按框架-剪力墙结构确定，剪力墙配筋按计算要求，当剪力墙计算超筋时，在满足强剪弱弯的前提下按截面的最大配筋率配筋设计。
设计理由：设置剪力墙的根本目的是控制框架结构的弹性位移值，使其满足规范对框架结构弹性位移限值的要求，可有条件（在剪力墙能承担的范围内）考虑剪力墙的承载能力要求，因此剪力墙的可按其最大承载力要求配筋。
4．特别建议
由于布置少量剪力墙的框架结构在设计原则及具体设计中存在诸多不确定因素，给结构设计和施工图审查带来相当的困难，笔者建议，结构设计中应尽量避免采用，尽可能采用概念清晰、便于操作且抗震性能较好的框架-剪力墙结构。当必须采用时，应提前与施工图审查单位沟通，以利于设计













连梁超筋处理


连梁超筋的处理
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剪力墙结构、框架剪力墙结构中连梁及框筒结构中的裙梁一般较易出现超筋超限现象，应采取适当的处理方法。剪力墙连梁超筋、超限时，可根据“混凝土高规”第7.2.25条的相关规定，作如下处理：
一、对连梁的计算处理
1．连梁调幅处理（计算结果①）
抗震设计剪力墙中连梁的弯矩和剪力可进行塑性调幅，以降低其剪力设计值。但在结构计算中已对连梁进行了刚度折减的连梁，其调幅范围应限制或不再调幅。当部分连梁降低弯矩设计值后，其余部位的连梁和墙肢的弯矩应相应加大。
一般情况下，经全部调幅（包括计算中连梁刚度折减和对计算结果的后期调幅）后的弯矩设计值不小于调幅前（完全弹性）的0.8倍（6、7度）和0.5倍（8、9度）。
2．连梁的铰接处理（计算结果②）
当连梁的破坏对承受竖向荷载无明显影响（即连梁不作为次梁的支承梁）时，可假定该连梁在大震下的破坏，对剪力墙按独立墙肢进行第二次多遇地震作用下的结构内力分析（为减小结构计算工作量可将连梁按两端铰接梁计算），墙肢应按两次计算所得的较大内力进行配筋设计（一般情况下，连梁铰接处理后，墙的计算结果较大），以保证墙肢的安全。
3．对超筋连梁的计算处理（计算结果③）
剪力墙的连梁考虑刚度折减后，当部分连梁仍不能满足规范剪压比（）限值时，减小连梁截面，此时连梁计算可能仍有超筋，但其计算剪力V2已不大于原有截面的最大受剪承载力[V1]，即V2≤[V1]，满足本规程第6.2.6条的要求。
4．连梁计算处理后的情况分析
1）情况一：连梁调幅处理（计算结果①）后，计算结果满足规范要求；
2）情况二：对连梁进行计算处理后（计算结果③），连梁不再有超筋现象，结构的层间位移仍能满足规范要求，即层间弹性位移角符合表4.6.3要求；
3）情况三：对连梁进行计算处理后（计算结果②），连梁不再有超筋现象，结构的层间位移仍能满足规范要求，即层间弹性位移角符合表4.6.3要求；
4）情况四：对连梁进行计算处理后（计算结果③），连梁仍有超筋现象，结构的侧向位移不能满足规范要求，即层间位移角已不符合表4.6.3要求，且确无其他手段加大结构的侧向刚度，结构设计中仍需采用原有连梁的构件截面尺寸，以满足结构的层间弹性位移角要求。
二、剪力墙的配筋设计
1．对情况一：剪力墙可直接按计算结果①配筋。
2．对情况二，剪力墙按最后计算的结果（结果③）配筋（此时，要求连梁取用小截面，即计算③所采用的截面）。
3．对情况三，剪力墙应进行包络设计，配筋取计算结果①、②的较大值（此时，要求连梁取用小截面，即计算②所采用的截面）。
4．对情况四，剪力墙应进行包络设计，配筋取计算结果①、③的较大值（此时，要求连梁取用实际截面，即计算①所采用的截面）。
三、连梁的截面及配筋设计
1．对情况一，连梁按计算结果①配筋。
2．对情况二，连梁按计算结果③配筋。
3．对情况三，连梁按计算结果②配筋，同时应采取措施确保计算中的铰接连梁与剪力墙的真正“铰接”；当对铰接梁采用非“铰接”做法时，则应按下述4设计。
4．对情况四，连梁取实际截面，即计算结果①的截面，按V2及相应弯矩M2计算连梁配筋，举例如下：
某连梁截面为250mmx600mm，该连梁所能承担的最大剪力（按“混凝土高规”第6.2.6条计算，也可从电算结果的超筋信息中直接读取）[V1]= 400kN，初次计算（对应计算结果①）剪力为V=500kN>[V1]，需调整计算。减小连梁的计算截面至250mmx450mm，此时连梁的计算剪力（对应计算结果③）V2=380kN<[V1]，相应计算弯矩为M2，调整计算结束。施工图设计时，连梁截面仍取为250mmx600mm，取用内力V2、M2计算配筋。
连梁超筋调整计算要点
过程 计算截面（b×h）（mm） 计算剪力
（kN） 截面允许剪力
（kN） 计算判别 实际截面
1 250×600 500 400 需调整 250×600
2 250×450 380 计算结束
实际配筋时可进行适当的简化处理，如：
1）纵向钢筋配置：根据实际连梁与计算连梁有效高度的比值，对计算的连梁纵向钢筋面积进行调整，并按其配筋（应同时满足最小配筋率要求）；
2）箍筋配置：对连梁箍筋也可以按连梁的截面要求（“混凝土高规”第7.2.23条的要求）作为连梁的剪力设计值求出相应连梁的箍筋面积，计算公式如下：
（1）非抗震设计时，按“混凝土高规”公式(7.2.23-1)右式与公式(7.2.24-1)右式相等：
0.25 =0.7 （1）
得： （2）
当连梁箍筋间距s=100mm时，非抗震设计的连梁最大箍筋面积（mm2）见表1。
表1 非抗震设计的连梁最大箍筋面积（mm2）
梁宽
mm 非抗震设计
C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50
200 156 199 245 293 341 383 424
250 194 249 307 366 426 478 530
300 233 298 368 440 511 574 636
350 272 348 429 513 597 669 742
400 311 398 491 586 682 765 848
450 350 447 552 659 767 861 954
500 388 497 613 733 852 956 1060
550 427 547 674 806 937 1052 1166
600 466 596 736 879 1023 1147 1272
注：当采用HRB335级钢筋时，表中数值乘以0.7；当采用HRB400级钢筋时，表中数值乘以0.583。
（2）抗震设计时：
① 跨高比大于2.5时：
按“混凝土高规”公式(7.2.23-2)右式与公式(7.2.24-2)右式相等：
0.20 =0.42 （3）
得： （4）
② 跨高比不大于2.5时：
按“混凝土高规”公式(7.2.23-3)右式与公式(7.2.24-3)右式相等：
0.15 =0.38 （5）
得： （6）
当连梁箍筋间距s=100mm时，抗震设计的连梁最大箍筋面积（mm2）见表2。
表2 连梁的最大箍筋面积（mm2）
梁宽
mm 跨高比大于2.5时 跨高比不大于2.5时
C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50
200 139 176 215 256 296 330 365 111 141 174 207 240 269 298
250 174 220 269 319 370 413 456 139 177 217 259 301 337 373
300 209 264 323 383 443 495 547 167 212 261 311 361 404 447
350 243 308 377 447 517 578 638 195 248 305 363 421 471 522
400 278 352 431 511 591 660 729 222 283 348 415 481 539 596
450 313 396 484 575 665 743 820 250 319 392 467 541 606 671
500 347 440 538 639 739 825 911 278 354 435 518 602 674 746
550 382 484 592 702 813 908 1002 306 390 479 570 662 741 820
600 417 528 646 766 886 990 1093 334 425 522 622 722 808 895
注：当采用HRB335级钢筋时，表中数值乘以0.7；当采用HRB400级钢筋时，表中数值乘以0.583。
四、相关索引
“抗震规范”的相关规定见其第6.2.13条。