框架及框架-摇摆墙结构抗震设计研究

第1章 绪论

1.1 框架结构设计的发展与现状
框架结构以其自重轻，空间布置比较灵活并且能够节约材料，还能与其他的结构形式组成混合结构。因此钢筋混凝土的框架结构在我国使用的较多。并且在居住类建筑和公共使用的建筑建设中都得到了广泛的应用。而混凝土结构的使用理论自从1887年的德国的Konen 提出了用混凝土承担构件的压力而钢筋则承受构件的拉力的设计理论方法后，德国的Baushinger 又验证了混凝土可以为钢筋提供保护，使其不受侵蚀，从而延长钢筋的寿命。到了1892年法国的Hennebique又阐述了箍筋在混凝土构件中抗剪的作用。到了现在形成了一套完整的钢筋混凝土的设计理论以及方法。并且设计的手段从最初的手算结构的受力到现在的使用高端计算机对体型复杂的结构进行更加精确的设计。并且还将逐步形成建筑的全寿命的管理模式。
框架结构体系的设计理论方法在现今已非常的成熟，但是在最近的几次地震中仍然有一大部分的框架出现了严重的破坏，甚至倒塌。而框架结构的破坏形式主要包括：
（1）框架中的节点区由于箍筋配置的不足，绑扎的不牢靠，有时在施工时节点区振捣导致箍筋下移或者因为节点区钢筋布置的比较密集所以无法施工而导致节点区的刚度不足易发生破坏（2）框架填充墙易形成短柱造成剪切破坏。从这几次的地震后建筑的破坏情况可以看出，因框架节点部分的破坏而致使整个结构破坏的实例屡见不鲜。这种破坏形式造成的最明显的破坏机制就是“强梁弱柱”的层屈服。这中破坏机制一旦出现将对建筑物造成毁灭性的破坏。其对人们生命财产安全造成了严重的威胁。
框架结构较为常见的破坏方式主要有框架柱节点区破坏、框架填充墙剪切破坏、突出屋顶建筑物破坏、框架结构因“强梁弱柱”产生层屈服等。框架结构两端点处的破坏状况要比框架结构梁的损坏严重地多，出现类似状况的主要因素是柱受到的力比梁复杂的多，柱不仅受到了和梁一样的弯、剪、扭的作用同时还会出现多个作用同时作用的复杂情况（图1-1（a））；柱节点位置受到弯曲和剪切共同影响，这个时候破坏的特点是：框架柱的顶点处产生斜向生长的缝隙同时伴随着水平向生长的，这两种裂缝有时也会交叉到一起；损毁最厉害的是柱顶端的混凝土彻底崩碎并散落在四周，柱子内部的主要受力钢筋达到受力极限不能继续承受荷载并且呈现出了向外鼓出的现象，最后在顶点处出现了有塑性流动性质的混凝土铰；高宽比小的墙在震后破坏见的比较多，在门和窗的开洞处就很容易形成这种高宽比小的墙，这种墙结构在最后容易出现X型的剪切裂缝（图1-1（b））；突出屋顶的结构物在地震中易产生鞭梢效应而产生破坏（图1-1（c））；在填充墙较少的楼层也较易形成“强梁弱柱”从而产生层屈服现象（图1-1（d））。


1.2 框架-摇摆墙结构形式的发展
Housner 首先想到了基础抬升和摇摆作用可以保护结构自身免受地震伤害。他提到了一个位置较高的水槽建筑在1960年发生在智利一次大型地震中因为自身的摆动使得其破坏变得较轻的实例。并且 Housner 分析了摇摆的质量体在自由振动时自振的周期和耗能的能力，计算了水平向地震作用时和正弦波作用时质量体的推覆力矩，得出摇摆结构在地震作用下优越的稳定性（图1-2）。

1977 年，Huckelbridge 和 Clough 分别用一个九层和一个三层的带有能够摇摆结构的钢框架体系进行了模拟地震台的实验研究（图1-2）。这个研究得出来的结论是附加的摇摆结构能够使结构的强度增加，延性变强，最终提高抗震能力。

1982年，Rutenberg等学者用基础在地震作用下发生抬起产生摇摆现象，阐释了1971年San Fernando的2栋钢筋混凝土剪力墙结构的建筑在受灾最严重的地区却只受到了微乎其微伤害的原因。2003年，日本学者林康裕经过分析得出，日本阪神在1995年地震中一幢在高烈度区的建筑受到的损伤较为轻微的主要是因为它的基础浮动造成的。在上述研究成果的启发下各国的学者们从结构的变形能力、自复位性能、耗能能力等方面提出了多种多样的摇摆结构体系。

第2章 框架结构设计过程及施工图

2.1.框架结构荷载统计及PKPM 建模
2.1.1 工程概况及设计条件
本文中研究的工程实例为一个旅馆楼，建筑面积4416m2，占地面积736 m2。总长40m，总宽 18.4m。该楼一共有六层，首层的层高为3.90m，2~6层的层高为3.60m，该建筑的总高度为 21.90m。
本工程采用框架结构。其楼面使用的是现场浇筑的混凝土楼面板，楼板的厚度取为110mm，除了走廊和楼梯以外的其它地方均使用双向受力的楼板。走廊采用单向板布置，梯板和休息平台也采用单向板布置。
该工程建筑的抗震等级为二级，旅馆建筑的重要性系数取为1.0，其所在地抗震设防的烈度则为七度（0.15g），结构类型为现场浇筑的钢筋混凝土多层框架结构，耐火等级取为二级，屋面的防水等级取为Ⅱ级，设计使用的年限与普通民用建筑相同是50年。
建筑场地处的基本风压为0.1kN/m2；基本雪压为0.1kN/m2。
该工程地基持力层承载力为120kPa，地下水位在地表下10m。本建筑物属于丙类建筑，设计地震的分组在第一组，设计上使用的基本地震加速度取为0.15g，框架抗震的等级取为三级，设计中使用的活荷载则取为 2.30kN/m2，楼梯间使用的活荷载取为3.50kN/m2。走廊设计时取用的活荷载为 3.50kN/m2。该工程所在的场地类别是Ⅲ类，取用强度为C30等级的混凝土，梁板柱中主要采用HRB400 等级的钢筋作为受力的主要钢筋。
本结构采用内廊式布置，平面布置如图2-1所示，在2，3轴之间设置楼梯间。纵向柱距为 8m，每个开间为4m；短向总长18.4m，进深为7.85m，走廊宽 2.75m 。各结构定位如图所示。


2.2 框架结构内力
（一）框架结构地震力
这里的地震力指的是本框架结构在地震作用下各层产生的水平方向的力，如图 2-8 与图 2-9 所示。从图中可以直观的看出结构地震力的楼层分布情况。其中地震力的大小是从下到上依次增加的。说明地震反应在顶层是最强烈的。其中 X向的地震力在顶部最大，其数值为 905.4kN，Y 方向的也在顶部最大，其数值为965.1kN。X 方向和 Y 方向的最大地震力大小相近说明结构在纵横方向上的地震反应相近。

（二）框架结构层剪力
层剪力表示的意义是框架结构模型在承受地震作用时结构每层对应的剪力，如图2-10 及图2-11分别表示了X向和Y向的层剪力。从图中可以直观地看出结构的层剪力。层剪力从底部到顶部依次递减。其中X向的层剪力在底部最大，其数值为3122.4kN，Y向层剪力也在底部最大，其数值为3336.9kN。两个方向的最大层剪力相差不大说明结构纵横方向上的刚度相近。


第3章 框架-摇摆墙结构设计 ........................ 25
3.1 框架-摇摆墙结构模型概况 ..................... 25
3.1.1 框架-摇摆墙结构 SAP2000 建模 .............. 25
第4章 框架结构与框架-摇摆墙结构对比分析 ...................... 45
4.1 框架结构与框架-摇摆墙结构模型内力对比分析 ................ 45
4.1.1 框架结构与框架-摇摆墙结构模型 ................. 45

第4章 框架结构与框架‐摇摆墙结构对比分析

4.1 框架结构与框架-摇摆墙结构模型内力对比分析

4.1.1 框架结构与框架-摇摆墙结构模型

下面章节将要进行性能对比的模型有三个，这三个模型就是在第三章中提到的三种结构模型。这三种结构模型分别是框架结构模型，框架-摇摆墙结构方案一与框架摇摆墙结构方案二。其在SAP2000中的建立方法和各构件的尺寸已在第三种详细说明在此不再赘述。在 SAP2000 中使用的方法就是静力弹塑性的分析方法。
4.1.2 框架结构与框架-摇摆墙结构刚度对比
在对模型进行模态分析时，模型在加摇摆墙方向（Y 方向）的一阶振型的周期分别列于表4-1中。其中框架结构为0.81281s，第一种框架-摇摆墙结构为0.821s，第二种框架-摇摆墙结构为0.80749s。对比发现框架结构用摇摆墙加固改造后的周期没有太大的变化，而第二种框架-摇摆墙方案中比第一种方案周期明显减少。说明摇摆墙对整体结构的刚度影响不大，而柱截面尺寸则有较大的影响。


结论与展望

结论
本文主要研究摇摆墙-框架结构的设计方法，根据抗震设计要求对框架结构进行设计，然后在得出适宜的刚度比再进行摇摆墙的设计。对比6层框架与两个框架-摇摆墙结构的抗震性能分析后可得出设计中需要注意的一些问题。具体的结论如下：
（1）框架结构层剪力在底层最大所以需对底层柱加固；框架结构在截面改变处易形成薄弱层，本文中框架结构的最大位移角就出现在柱截面突变处。
（2）本文对比框架结构的设计过程得出框架-摇摆墙结构的设计过程。并参照剪力墙的计算方法得出摇摆墙配筋的计算方法。摇摆墙基础使用插入杯口式基础，并提出设计方法。摇摆墙的连梁计算主要是变形计算，所以主要提出了连梁箍筋基于抗震性能的设计方法。
（3）用新设计的2种框架-摇摆墙结构与框架结构进行抗震性能对比发现：框架-摇摆墙结构在进入塑性后不会出现层位移集中的现象。

展望
框架摇摆墙结构属于一种新的结构形式，目前的应用的仍然较少，本文仅通过SAP2000分析对结构的抗震性能进行了分析。并提出了一些设计上理论可行的方法。因此本文仍有很多问题需要进一步的研究。
（1）本文提出了摇摆墙体和基础的配筋方案，但是并没有通过软件进行数值模拟，也没有通过实际试验进行检验。所以其可靠性还有待进一步地检验。
（2）本文只是讨论了一种摇摆墙的设计方法，摇摆墙还有很多可行的方法可以实施。所以摇摆墙的设计研究还有很大的发展空间。
（3）本文的设计模型为简化后的模型，在实际施工中还会遇到很多问题，所以其施工的方法还有待进一步的研究。
（4）本文研究的模型也是结构较为对称的多层框架模型，对与有较大偏心的非对称结构，或者高层结构还有待进一步进行研究。
（5）带有阻尼器的摇摆墙结构也有待进一步地研究
参考文献（略）