【摘 要】高层建筑形式上的复杂化、单元种类的多样化，需要新的高层结构体系来不断适应现代高层建筑功能的要求，断层剪力墙高层框架一剪力墙结构就是为满足这种要求而出现的一种新型结构体系。文中介绍断层剪力墙高层框架一剪力墙结构设计理论，以及其设计的关键技术。该理论可用于断层剪力墙高层结构抗震设计及研究，也可进一步发展应用于分析解决结构减振耗能、振动控制和基础隔震等问题。
【关键词】断层剪力墙、高层建筑、抗震设计理论、关键技术
1、前言
在实际工程中，经常遇到由于建筑功能的要求或其他原因，要减少结构上部剪力墙的尺寸，甚至完全取消，即断层剪力墙结构。这种断层剪力墙高层框架-剪力墙结构是一种新型的高层结构，其采用“非全高”的剪力墙来满足现代高层建筑使用功能的要求。在防震减灾和工程实践中，提高各类结构物的抗震性能仍然是目前普遍采用的有效途径。
2、设计理论
2.1简化方法
20世纪后半期出现了许多结构弹塑性位移简化算法，如等代能量法、加藤能量法、弹塑性位移谱和塑性内力重分布法等。其中能量分析方法一直得到发展和应用。对结构弹塑性抗震性能分析起了一定的作用，而塑性内力重分布法至今仍是我国建筑抗震设计规范推荐的方法。
2.2线性动力方程时程分析方法
时程分析是结构动力学研究的基本问题，研究成果较多大致可分为差分型和积分型两类。常用的差分型方法有平均加速度法和中心差分法等，类似的还有积分型直接积分法、样条函数法等。
2.3非线性动力方程时程积分的一般性方法
一般认为时程分析方法能较好地反映抗震结构的非线性动力响应性能。目前在系统局部屈服后，常采用基于切线刚度动力平衡分析。对于系统阻尼中的非线性部分则等效为荷载处理；而对于主动变刚度结构一般采用将控制器作用等效为力作用处理。
2.4卸载分析思想
2.4.1系统的力平衡与系统状态
结构分析时要求结构状态变形和运动状态与动力平衡方程相匹配。若计算方法本身使计算状态偏移，则相应的动力平衡受到扰动，必然产生计算误差，动力计算最终也可能出现不稳定。同理若确定出计算状态偏移量，则可进一步确定计算扰动量，修正动力平衡方程可提高求解精度和稳定性。
2.4.2系统状态与能量分布
结构系统稳定平衡时其变形或运动状态总是与一定的能量分布状况相对应。结构状态偏移量可用能量分部差异量描述。一方面可通过补充能量方程描述结构状态偏移量，确定相应的计算扰动量和修正原来的结构动力方程从而减少计算误差和提高计算稳定性。
2.5基于性能的分析方法
静力弹塑性分析方法，该法采用静加荷载模拟地震加速度激励下结构受到水平惯性力作用，根据结构变形确定出薄弱位置，从而在设计阶段采取相应措施提高结构抗震性能。
3、关键技术
3.1结构分析
目前在进行弹塑性结构动力响应时程分析时一般不考虑结构损伤退化对外释放弹性能影响效应，而如何计算这部分影响效应一直是个问题。非线性动力方程时程积分一般性方法的计算量很大，计算技术处理复杂，缺乏直接技术积累，支持用于短期内分析大型结构不太现实。若采用基于结构的切线刚度动力平衡，用WilsOn-6等积分法进行时程分析计算时不能控制误差，且容易导致结果发散而中止计算。WilsOn-6等方法也可采用在每一时间步长内平衡迭代收敛解决上述问题但这又回到一般性方法。动力仿真分析的优点比较容易实行，面临的问题是如何使仿真尽可能符合动力系统的实际运动过程，如基于性能分析容易得到同一标准下的分析比较结果。损伤结构弹塑性动力系统的对外释放弹性能影响仍是个未知量，其时间过程中的累效应有可能很大，对损伤结构弹塑性抗震性能会产生重要影响。
3.3抗震性能评价
目前普遍采用累积耗能指标评价抗震性能。它由结构双重破坏准则评价结构破坏操作时，大多直接用累积塑性变形能表示累积耗能。由于建筑结构常采用钢-混凝土材料构件，不同的结构组成、不同构件和不同构件构造对累积塑性变形能极限有很大影响，评价指标的离散性很大取值只能凭主观作出判断。理论上的模糊破坏准则在一定程度解决了这一问题，但其参数如何取值，以及如何将模糊评价与结构的动力性能分析相结合，仍然需要在工程研究和实践中不断加以探索和总结。
3.3结构刚度和强度的分布
3.3.1刚度的合理分布
结构刚度合理分布，首先可以避免地震作用下结构弹性变形集中，从而过早进入弹塑性振动阶段。其次当结构进入弹塑性振动后，能够综合考虑结构强度和延性因素，影响减小结构的屈服卸载效应和结构破坏。
3.3.2强度的合理分布
国内的研究表明，大地震作用下，结构弹塑性变形和按弹性反应计算的结构变形的比值与结构的屈服强度系数存在较好的对应关系。屈服强度系数明显偏小的结构部位将出现较大的塑性变形集中，正如人们所说的结构薄弱位置，其结构强度分布是否也可用结构的屈服强度系数分布来衡量是一个研究方向。
4、工程实例概述
某高层公寓，地上31层，地下2层，建筑物高度98.3m。从使用功能上，地下2层为停车库，面积较大；地上两层裙房作为商场；裙房以上为公寓。主体部分尺寸为：62.6m×18.2m。该工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.1g，建筑场地类别为Ⅱ类，结构形式为框架-断层剪力墙结构，框架及剪力墙的抗震等级均为二级。采用的结构计算软件为PKPM系列SATWE软件计算。结构平面布置及柱网的设置要满足建筑要求。
剪力墙的布置在设计中经过多次调整，一方面由于建筑使用功能的要求：地下室为地下车库；地上1至2层为商场；上部为公寓。在有些情况下，结构按正常情况下布置的剪力墙影响使用功能；另一方面剪力墙的布置要合理且满足使用和计算要求。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，见图1所示。
由于水平荷载特别是地震作用的多方向性，故结构应在多个方向布置抗侧力构件，才能抵抗水平荷载，保证结构在各个方向具有足够的刚度和承载力。当平面为正交时，则应在平面两个主轴方向布置抗侧力构件，形成双向抗侧力体系。这个问题在框架-断层剪力墙结构中尤为重要。因为在框架-断层剪力墙结构中，剪力墙是主要抗侧力构件，如仅在一个方向布置剪力墙，则会造成无剪力墙的方向抗侧力刚度不足，使该方向带有纯框架的性质，没有多道防线。在地震作用下，可能会使结构在此方向首先破坏，而且会使两个主轴方向的刚度差异过大，产生很大的结构整体扭转。框架-剪力墙结构中，由于剪力墙的刚度较大，其数量的多少和平面位置对结构整体刚度和刚心位置影响很大。因此在剪力墙布置时，应按“均匀、分散、对称、周边”的原则。
4.2结构竖向布置
该工程下部两层为裙房，形成大底盘单塔结构，在结构布置上应符合简单、规则、减少偏心的要求。结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化，不应采用竖向布置严重不规则的结构。抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%。上部塔楼结构的综合质心与底盘结构质心的距离不宜大于底盘相应边长的20%。
由于下部楼层层高较高，上部楼层层高较小，下部楼层刚度较弱，在结构布置时，为实现下刚上柔、逐步均匀变化的原则，尽量减少薄弱层，可通过调整结构构件的刚度或截面尺寸，降低连梁高度等。通过调整后，结构竖向布置满足要求。
5、结语
由于断层剪力墙高层框架-剪力墙结构的薄弱部位，需加强的范围以及对刚度突变的限制条件等尚未确定，对断层剪力墙高层框架-剪力墙结构的动力特性和抗震性能的研究目前还不是很全面，有必要寻求新的分析方法和计算理论。
参考文献：
[1] 刘浩亮.关于建筑框架剪力墙结构施工技术的思考[J].建筑工程技术与设计，2015(6)：185-185.
[2] 何栋.基于框架剪力墙结构建筑施工技术的研究[J].建筑·建材·装饰，2015(6)：150-150.
[3] 王品.小高层建筑框架剪力墙结构施工技术分析[J].建材与装饰，2013(6)：99-100.
论文作者:1龚雪芹,2刘典年
论文发表刊物:《低碳地产》2016年7月第14期
论文发表时间:2016/11/3
标签：结构论文; 刚度论文; 剪力墙论文; 塑性论文; 断层论文; 动力论文; 框架论文; 《低碳地产》2016年7月第14期论文;