福　　建　　建　　筑

Fujian A rchitecture &Constructi on No8・2009

Vol ・134

PKP M 程序在框架-剪力墙结构设计中的思考

林玉英

(福建经福建筑设计工程有限公司　350025)

摘　要:本文根据《高层建筑钢筋混凝土结构技术规程》JGJ3-2002(以下简称高规[1]

)及《建筑抗震设计规范》G B50011-2001(以下简称抗规[2])中的相关规定,结合工程实际对在PKP M 中如何实现框架-剪力墙的控制点的应用及其计算结果进行分析;同时也要考虑经济造价。关键词:PKP M 　S AT W E 　框架-剪力墙中图分类号:　　　　　　文献标识码:A 　　　　　　文章编号:1004-6135(2009)08-0041-03

Th i n k i n g of PKP M Program i n Fram e -Shear W a ll Structure D esi gn

L in Yuying

(Fujian J ingfu A rchitectural Design I nstitute 　350025)

Abstract:This paper according t o the p r ovisi ons of “technical s pecificati on f or high -rise buildings reinforced concrete ”JGJ3-2002

(hereinafter referred t o as the high -s pecificati on [1])and “buildings aseis m ic design code ”G B50011-2001(hereinafter referred t o as

aseis m ic code [2]

),in combinati on with the engineering p ractice of how t o realize PKP M fra me -shear wall contr ol app licati on and calcula 2ti on results is analyzed;A ls o we must consider the econom ic cost .

Keywords:PKP M 　S AT W E 　Fra me -shear

wall

作者简介:林玉英,19年2月生日,女,结构设计专业,一

级结构注册工程师。

收稿日期:2009-05-25

　　一、前言

近几年,城市里高层住宅大量涌出,而且高层住宅的结构采用既可以保证结构的刚度、位移,又可以使室内空间方正合理的框架-剪力墙结构较为普遍应用。在框架结构中加设适量的剪力墙,二者通过楼盖协同工作,以满足建筑物的抗侧要求,从而组成框架―剪力墙结构体系。它的结构布置方式灵活,在对建筑物的使用功能影响不大的情况下,使结构的抗侧刚度和承载力都有明显提高,所以这种结构体系兼有框架和剪力墙结构的优点,是一种适用性很广的结构形式。

本文根据《高层建筑钢筋混凝土结构技术规程》JGJ3-2002(以下简称高规[1]

)及《建筑抗震设计规范》G B50011-2001(以下简称抗规[2]

)中的相关规定,结合工程实际对在PK 2P M 中如何实现框架-剪力墙的输入及其计算结果进行分析;同时也要考虑经济造价。

二、框架―剪力墙结构布置一般原则

框架―剪力墙结构体系结构布置除应符合高规[1]和抗规[2]及其各自的相关规则外,其框架柱和剪力墙的布置还应注意满足下列要求:

(1)框架―剪力墙结构中剪力墙的布置一般按照“均匀、对称、分散、周边”的原则布置。

①剪力墙宜均匀对称地布置在建筑物的周边附近、楼电梯间、平面形状变化及恒载较大的部位。

②平面形状凹凸较大时,宜在凸出部分的端部附近布置剪力墙。

(2)框架―剪力墙结构应设计成双向抗侧力体系,抗震设

计时结构两主轴方向均应布置剪力墙;主体结构构件之间不宜采用铰接。

(3)框架―剪力墙结构中的剪力墙,宜设计成周边有梁柱(或暗梁柱)的带边框剪力墙。

(4)剪力墙宜贯通建筑物全高,沿高度墙的厚度宜逐渐减薄,避免刚度突变。

三、工程实例

福州机场高速魁岐佳园某高层住宅工程总建筑面积约为15000m 2

,地上18层,地下1层,房屋总高度5318m 。本工程建筑结构的安全等级为二级;抗震设防类别为丙类;抗震等级:结构框架柱抗震等级为三级,剪力墙抗震等级为二级;所在地区的抗震设防烈度为7度;设计基本地震加速度为0110g;设计地震分组为第二组;场地土类别为Ⅱ类;特征周期:Tg =

0140sec;50年一遇的基本风压值取0175k N /m 2

;地面粗糙度类别为B 类;风载体型系数113。下图为本工程局部(其中一块)框架-剪力墙标准层结构布置图

。

高层设计中往往花费许多时间在电算上,为使结构平面布置和竖向承重构件(柱、剪力墙等)的合理布置,设计过程中考虑控制的目标参数主要有如下几个:

11框架柱倾覆弯矩及012Q调整系数:

(1)框架―剪力墙结构中框架柱倾覆弯矩控制及计算:

根据抗规[2]第61113条、高规[1]第81113条规定,框架-剪力墙结构,在基本振型地震作用下,若框架部分承担的地震倾覆力矩大于总地震倾覆力矩的50%,其框架部分的抗震等级应按框架结构确定,柱轴压比限值宜按框架结构采用。

本工程WV02Q1OUT文件中得出

33333333333333333333333

框架柱地震倾覆弯矩百分比

33333333333333333333333

柱倾覆弯矩墙倾覆弯矩柱倾覆弯矩百分比X向地震:1808751011601531108%

Y向地震:2029691862576524149%

　　框架部分承担的地震倾覆力矩小于总地震倾覆力矩的50%,计算符合要求。

(2)012Q0调整

对于框架剪力墙结构,一般剪力墙的刚度很大,剪力墙吸引了大量的地震力,而框架部分所承担的地震力较小。根据抗规[2]第612113条规定,侧向刚度沿竖向分布基本均匀的框架-剪力墙结构,任一层框架部分的地震剪力,不应小于结构底部总地震剪力的20%和按框架-剪力墙结构分析的框架部分各楼层地震剪力中最大值115倍二者的较小值。本工程指定调整楼层为2～19层的范围,WV02Q1OUT文件中得出33333333333333333333333

012Q0调整系数

33333333333333333333333

012Q ox=439105　　115V x max=754149

012Q oy=467159　　115V y max=774137

本工程计算结果符合要求。

2、周期比:周期比侧重控制的是侧向刚度与扭转刚度之间的一种相对关系,它的目的是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理,使结构不致于出现过大(相对于侧移)的扭转效应,减小扭转对结构产生的不利影响,见高规[1]第41315条及相应的条文说明。周期比不满足要求,说明结构的抗扭刚度相对于侧移刚度较小,扭转效应过大,结构抗侧力构件布置不合理,应调整改变结构布置,提高结构的抗扭刚度;总的调整原则是加强结构外围墙、柱或梁的刚度,适当削弱结构中间墙、柱的刚度;利用结构刚度与周期的反比关系,合理布置抗侧力构件,加强需要减小周期方向(包括平动方向和扭转方向)的刚度,或削弱需要增大周期方向的刚度。

本工程W Z Q1OUT文件中自振周期结果如下振型号周期转角平动系数(X+Y)扭转系数11193411791060199(0199+0100)0101 2118816881951100(0100+1100)0100 31152451661600102(0102+0100)0198 401618401080199(0199+0100)0101111　　当平动系数大于015时,该振型为以平动为主的振型。反之,当扭转系数大于015时,该振型为以转动为主的振型。

从上面结果中可以查得,结构以扭转为主的第一自振周期T3=115245s,以平动为主的第一自振周期T1=119341s,T3/T1 =01788<019,满足高规[1]第41315条的规定。

3、位移比:主要为结构平面布置的不规则性,以避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。见抗规[2]第31412条,高规[1]第41315条及相应的条文说明。位移比不满足时应调整改变结构平面布置,减小结构刚心与形心的偏心距;首先应注意调整结构外围对应位置抗侧力构件的刚度,同时在设计中,应在构造措施上对楼板的刚度予以保证;其次利用程序的节点搜索功能在S AT W E[3]的“分析结果图形和文本显示”中的“各层配筋构件编号简图”中快速找到位移最大的节点,加强该节点对应的墙、柱等构件的刚度;也可找出位移最小的节点削弱其刚度,直到位移比满足要求;再次应注意验算位移比需要考虑偶然偏心,验算层间位移角则不需要考虑偶然偏,位移比超过112,需要考虑双向地震。

本工程WD I SP1OUT,结果如下:

a)最大值层间位移角

X方向最大值层间位移角:1/8751

Y方向最大值层间位移角:1/13261

满足高规[1]第41613条最大值层间位移角≤1/800的规定。

b)最大位移与层平均位移的比值、最大层间位移与平均层间位移的比值

X方向最大位移与层平均位移的比值:1102

X方向最大层间位移与平均层间位移的比值:1139

Y方向最大位移与层平均位移的比值:1101

Y方向最大层间位移与平均层间位移的比值:1106

满足高规[1]第41315条最大位移层间位移和与层平均值的比值A级高度高层建筑不宜大于112,不应大于115的规定。

4、剪重比:主要为各楼层的最小水平地震剪力,确保周期较长的结构的安全,见抗规[2]第51215条,高规[1]第313113条及相应的条文说明。剪重比不满足时应在S AT2 W E[3]的“调整信息”中勾选“按抗规[2]第51215条调整各楼层地震内力”后,S AT W E[3]按抗规[2]第51215条自动将楼层最小地震剪力系数直接乘以该层及以上重力荷载代表值之和,用以调整该楼层地震剪力,以满足剪重比要求。同时还可按下列三种情况进行调整:

1)当地震剪力偏小而层间侧移角又偏大时,说明结构过柔,宜适当加大墙、柱截面,提高刚度。

2)当地震剪力偏大而层间侧移角又偏小时,说明结构过刚,宜适当减小墙、柱截面,降低刚度以取得合适的经济技术指标。

3)当地震剪力偏小而层间侧移角又恰当时,可在S AT2 W E[3]的“调整信息”中的“全楼地震作用放大系数”中输入大于1的系数增大地震作用,以满足剪重比要求。

本工程平面及竖向均比较规则,在S AT W E中设计时选取了18个振型进行计算,在W Z Q1OUT结果文件中查看X、Y向有效质量系数及楼层最小剪重比如下:

X方向的有效质量系数:99150%

Y方向的有效质量系数:99150%

X向楼层最小剪重比:1160%

Y向楼层最小剪重比:1160%

两个方向有效质量系数均超过90%,说明计算振型数够了。两个方向的楼层最小剪重比均满足抗规[2]第51215条要求。

5、刚度比:主要为结构竖向布置的不规则性,避免结构刚度沿竖向突变,形成薄弱层,见抗规[2]第31412条,高规[1]第41412条及相应的条文说明;对于形成的薄弱层则按高规[1]第511114条予以加强。如果某楼层刚度比的计算结果不满足要求,S AT W E自动将该楼层定义为薄弱层,并按高规[1]第511114条将该楼层地震剪力放大1115倍。同时应加强抗震延性构造措施,提高结构的抗震等级、楼板加强、弱连接结构的加强等,从而加强薄弱部位。另外,还可按以下方法调整:

1)适当降低本层层高,或适当提高上部相关楼层的层高。

2)适当加强本层墙、柱和梁的刚度,或适当削弱上部相关楼层墙、柱和梁的刚度。

本工程WMASS1OUT,结果如下:

各层刚心、偏心率、相邻层侧移刚度比等计算信息

Fl oor No1　1　　　Tower No1　1

Xstif=8212110(m)Ystif=-2813957(m)A lf=-011360 (Degree)

Xmass=7617026(m)Y mass=-2915144(m)G mass= 633915059(t)

Eex=012702　　　Eey=010680

Ratx=110000　　　Raty=110000

Ratx1=4317335　Raty1=3813708　薄弱层地震　剪力放大系数=1100

RJX=3112E+07(k N/m)　RJY=411138E+07(k N/m) RJZ=010000E+00(k N/m)

　Fl oor No1　2　　　Tower No1　1

Xstif=77195(m)　Ystif=-2517944(m)　A lf=010000 (Degree)

Xmass=7518728(m)Y mass=-3112150(m)G mass= 165013276(t)

Eex=011394Eey=014610

Ratx=010268Raty=010319

Ratx1=111936Raty1=112750　薄弱层地震剪力放大系数=1100

RJX=917692E+05(k N/m)RJY=113126E+06 (k N/m)RJZ=010000E+00(k N/m)111

6、受剪承载力比:主要为结构竖向布置的不规则性,避免楼层抗侧力结构的受剪承载能力沿竖向突变,形成薄弱层,见抗规[2]第31412条和高规[1]第41413条及相应的条文说明;对于形成的薄弱层应按高规[1]第511114条予以加强。层间受剪承载力比不满足时应在S AT W E的“调整信息”中的“指定薄弱层个数”中填入该楼层层号,将该楼层强制定义为薄弱层,S AT W E[3]按高规[1]第511114条将该楼层地震剪力放大1115倍。同时还可适当提高本层构件强度(如增大柱箍筋和墙水平分布筋、提高混凝土强度或加大截面)以提高本层墙、柱等抗侧力构件的抗剪承载力,或适当降低上部相关楼层墙、柱等抗侧力构件的抗剪承载力。

本工程竖向布置较为规则,故均满足规范要求。

7、刚重比:主要是控制在风荷载或水平地震作用下,重力荷载产生的二阶效应不致过大,避免结构的失稳倒塌,见高规[1]第51411条和第51414条及相应的条文说明。刚重比不满足要求,说明结构的刚度相对于重力荷载过小;但刚重比过分大,则说明结构的经济技术指标较差,宜适当减少墙、柱等竖向构件的截面面积。刚重比不满足时应调整增强竖向构件,加强墙、柱等竖向构件的刚度。

本工程WMASS1OUT,结果如下:

　　抗倾覆验算结果

抗倾覆弯矩M r倾覆弯矩Mov比值M r/Mov零应力区(%)

X风荷载5417843108734518621030100

Y风荷载38114911314178517261880100

X地震5417843109967517541350100

Y地震381149113107919351800100

=========================

结构整体稳定验算结果

=========================

X向刚重比EJd/GH332=3191

Y向刚重比EJd/GH332=4104

X向结构刚重比EJd/GH332大于114,能够通过高规[1]第51414条的整体稳定验算,Y向结构刚重比EJd/GH332大于217,可以不考虑重力二阶效应。

8、轴压比:主要为结构的轴压比,保证结构的延性要求,规范对墙肢和柱均有相应限值要求,见抗规[2]第61317条和第61416条,高规[1]第61412条和第712114条及相应的条文说明。轴压比不满足要求,结构的延性要求无法保证,应增大该墙、柱截面或提高该楼层墙、柱混凝土强度;轴压比过小,则说明结构的经济技术指标较差,宜适当减少相应墙、柱的截面面积。

本工程轴压比均满足规范要求。

9、其它:在满足以上几点的同时,根据本工程实际情况,结构平面在1-10～1-12交1-M～1-P轴之间,由于是楼梯和电梯集中布置的位置,平面相对比较薄弱,为增加该部分刚度,采取相应的加强措施,即加厚该区域的板厚且为双层双向贯通板筋,同时也加强该区域梁的箍筋且增设抗扭筋。

五、从经济角度上选择结构

其实,在一开始也做了多种结构方案的比对,其中一种方案为在上述平面中1-11轴的两处及1-R轴交1-7和1-15轴两处的剪力墙均改为框架柱,相关联的梁、柱断面和梁、柱配筋也相应增大;经电算结果虽然相关的控制点:刚度比、位移比、周期比、刚重比等参数也均能刚好满足规范要求,但含钢量明显增加。经测算建安造价约达1250元/m2,每平米增加50元。从经济角度看,这么盘大工程也是挺可观得数目,最终定为上述图示的平面图方案。

六、结论

本文主要以框架―剪力墙结构为实例,通过探讨高层框架―剪力墙结构设计主要控制点在PKP M[3]中应用及S AT W E[3]输出结果进行分析。体现到高层结构设计的难点在于结构平面和竖向承重构件(柱、剪力墙等)的合理布置;进一步认识高层框架―剪力墙结构设计时相关的控制点:刚度比、位移比、周期比、刚重比等参数以及其调整过程中彼此相互关联且涉及构件截面、刚度及平面位置的改变;当然,还应根据规范及具体实际情况做些相应的加强措施;更重要还应考虑到经济方面。

综上所述,对于结构设计人员来说,先应对其设计计算的软件功能有确切的了解,再选取切合实际情况使结构平、立面布置尽量规则以及抗震和抗风性能好的结构体系(即结构计算模型),并符合现行规范要求的计算方法,通过合理控制以上指标,认真仔细比对结构方案和分析相应计算结果进行正确的判别。使高层的结构在规范允许范围内保证安全性、合理性,达到更好的效果;同时还要能降低造价,这也是我们今后设计有待于提高发展的方向。

参考文献

[1]JGJ3-2002,《高层建筑钢筋混凝土结构技术规程》[S]1

[2]G B50011-2001,《建筑抗震设计规范》[S]1

[3]中国建筑科学研究院PKP M CAD工程部《PKP M用户手册及技术条件》及《S AT W E用户手册及技术条件》[CP]1下载本文