砖混、框架及剪力墙结构体系的特点及设计实例之物理论文

　　摘要：论文分析了常用的砖混结构、框架结构及剪力墙结构的受力特点，结合工程实例说明每种结构形式特点及设计注意事项。
　　关键词：砖混、框架结构、剪力墙结构
　　论文正文：
　　随着社会经济的飞速发展，建筑业也趁势猛追，各种各样的结构形式在建筑舞台上百家争鸣，百花齐放。根据本人实际设计经验，对常用的几种结构做一简要的介绍。
　　随着08年汶川地震警钟的敲响，大家对抗震设计的认识又有了进一步的提高，对抗震措施尤其是抗震构造措施更加重视了。抗震措施是指除地震作用计算和抗力计算以外的抗震设计内容，包括对结构整体平面布置，周期及位移的整体控制等。而抗震构造措施是指根据抗震概念设计的原则，一般不需计算而对结构和非结构各部分必须采取的各种细部要求，包括截面尺寸，纵筋直径大小及配筋率，箍筋及箍筋加密等，对每一种结构形式，其要求又各不相同。
　　砖混结构是最早出现的结构形式，一般造价比较低，施工技术含量比较低，在经济欠发达地方的应用比较广泛。砖混结构是指建筑物中竖向承重结构的墙、柱等采用砖或者砌块砌筑，横向承重的梁、板等采用钢筋混凝土结构。由于竖向承重构件的延性比较差，一般受力破坏时出现脆性破坏，破坏时没有及早出现预警信号，而且因为砖的抗压性能比较不好，一般也不宜用于大跨度结构中，所以抗规对这种结构形式的应用提出了比较严的限值条件。首先应严格限值房屋的总层数和高度，其次是对平面布置也提出了比较细的要求，对上下层的侧向刚度要求也比较严，尤其对于底框结构，最后在材料的使用及抗震细部构造措施上又提出了进一步的限值，尽可能地提高砖混结构的延性。
　　为了拓宽砖混结构开间比较小的局限性，也为了迎合经济的发展，跨度比较大的框架结构得到了比较好的发展。现在繁华的商场，高档的会所，大型的超市，一般都采用这种结构形式。框架结构是由楼板、梁、柱组成的承重结构，由楼板将力传导给梁，梁传导给柱，柱再传导给基础。由于柱子的受压和抗弯延性比较好，所以框架结构的跨度可以做得比较大，一般都在6~10米左右。大家知道，柱子的延性跟轴压比关系直接，轴压比越大，柱子的延性越差，所以为了提高框架结构的延性，规范一般要求严格限制框架柱的轴压比，具体限制可参照抗规6.3.6。建筑物的高度越大，地震作用就越强，而框架结构的抗侧力构件--柱子的侧向刚度是有限的，水平作用过大，将会使结构产生比较大的侧向位移，一方面带来比较大的二阶效应，另一方面不满足使用的舒适度要求，所以对框架结构的层数是有限制的，一般大于24m的结构就不宜采用框架结构了。对于平面布置规则的框架结构，一般可以很容易地调整截面尺寸，使其周期、位移、轴压比达到规范限值，对于平面布置不规则的框架结构，就要花精力调整截面尺寸了，首先必须保证第一周期是平动，最好能控制平动系数大于0.95，如果可能的话，尽可能使第二周期也是平动，这样对位移的控制就相对比较容易了，在第一、二周期平动的情况下，调整截面对位移的影响是比较明显的，一般情况，如果位移不够时，需要加大位移不满足的节点的截面尺寸，有时候却是适得其反，越加大反倒越不够，因为截面加大了抗侧力刚度增大，分担的水平力也大了，对位移的控制未必是有利的，这时候就需要减小与位移不满足点对称位置的截面尺寸，也就是说，在调整周期的时候，是互相制约的关系，有时候弱了未必是自己本身弱，也许是对方过于强大了，那我们就可以在加法行不通的情况下，适当用减法来达到我们的目的。以近期设计的框架结构为例，本工程主体结构三层，局部四层，抗震设防7度0.15g，地震分组第二组，使用性质是商业，
　　框架结构
　　结构显然上下不是对称的，经过几轮的调整，最下边一排柱子截面尺寸做到500*500，而其余方型柱子做到600*600即可使结构第一周期和第二周期都是平动，同时位移也满足抗规550分之一的要求。当然也可以把整个楼的方型柱子截面加大到650*650，但是截面变大了之后，结构刚度增大，地震作用加大，梁和柱子配筋都增大了，而且，基础的负担加重了，对于总造价的控制显然不是最经济的。所以在框架结构设计中，首先控制结构的总高度，其次是建筑平面布置尽可能
　　规则，如果建筑条件所限，结构就只能考调整截面尺寸来尽可能实现总体周期的合理、位移和轴压比的合规，以及其它抗震构造措施满足抗震构造。
　　框架的高度受限，但是近年来随着城市地价的飙升，高层及超高层越来越多，而高层结构中，一般的公寓、酒店及酒店式公寓采用剪力墙结构的比较多。剪力墙又称抗风墙或抗震墙、结构墙，剪力墙既是抗侧力构件，又是竖向承重构件，同时又起到分割墙和围护墙的作用。其优点是侧向刚度大，在水平荷载作用下侧移小，缺点是剪力墙的间距有一定的限值，建筑平面布置不灵活，不适合要求有大空间的公共建筑，另外结构自重也较大，灵活性就差。对于剪力墙结构的设计，首先应从整体上把握，第一个应该控制是建筑的高度不要超，可参照《高层建筑混凝土结构技术规程》3.3.1，为了防止结构出现失稳及较大的二阶效应，高宽比也应控制；其次，是建筑的平面布置，平面形状宜简单、规则，质量、刚度和承载力分布宜均匀。不应采用严重不规则的平面布置。平面布置应减小扭转的影响，保证在考虑偶然偏心影响的规定水平地震作用下，楼层竖向构件最大的水平位移和层间位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍；B级高度高层建筑、超过A级高度的混合结构及复杂高层建筑结构不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.4倍，结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为准的第一自振周期T1之比，A级高度高层建筑不应大于0.9，B级高度高层建筑、超过A级高度高层的混合结构及复杂高层建筑不应大于0.85。建筑的竖向体型宜规则、均匀，侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化。结构的竖向抗侧力构件宜上下连续贯通。上下层的层间受剪承载力应满足《高规》3.5节的规定，对于底部大空间转换结构，转换结构的高度及抗震要求都有严格的限值，具体可参考《高规》10.2节的要求。为了满足使用的安全性及舒适性，位移的控制应满足《高规》3.7节的规定。对于剪力墙结构的设计，抗震措施上也应该重视，具体包括，首先根据建筑高度及设防烈度确定建筑的抗震等级，根据建筑的重要程度确定及场地的分类标准确定建筑的抗震构造措施，计算的时候首先粗算建筑的周期、位移及下上层的受剪承载力等总体布置信息，然后再考虑具体的细部做法。对总体信息的把握，首当其冲的是对周期平动的调整。调整的时候，一般的剪力墙，交通盒是不对称的，所以整个结构的平面布置是不对称的，结构就有可能出现第一周期是扭转的情况，这时就可以通过调整相对薄弱位置的构件，比如加大薄弱位置的墙长和墙厚，减小洞口尺寸，有时候也可以减弱相对比较强的地方的构件，来平衡两边的刚度，调整平动系数。剪力墙结构的洞口按洞口还是按框架梁输入，差别是比较大的，按连梁输入时，洞口仍然是墙的一部分，墙的刚度是比较大的，而按框架输入时，两边是独立的墙，刚度相对就比较小，两种不同的输入方法，构件的配筋及构造要求都是不一样。一般对于跨高比大于5的洞口就按框架梁输入，跨高比小于5的就按洞口连梁输入。还有一个值得一提事情，近年来随着人们生活水平的提高，大家的物质乃至精神的追求也越来越高，为了提高居住的档次，越来越多的开发商希望建筑出现比较开阔的视野，所以对于抗震比较不利的角窗就在所难免了。一般，角窗按框架梁输入，框架梁高是除了洞口之外的高度范围，而且对于两边的梁，均按对应的抗震等级采取箍筋加密，适当增加腰筋的配置，挑梁的上下筋配置一样。对于角窗的板应适当加厚，一般做到150mm，配筋采用双层双向通筋，在角窗对应角部加暗梁，暗梁高度同板厚，宽度一般500mm~600mm。高层建筑随着户型的增大，想保证日照就比较困难，建筑就想了各种各样的办法，使建筑平面布置里出外进，这显然又增加结构的抗震不利因素，一般结构设计时，可以考虑在外围凹凸的地方采用拉梁甚至拉板来加强凹凸两边部分的连接。以下是近期的一个设计实例，本工程抗震设防7度0.15g，地震分组为第二组，场地类别Ⅲ，构造按8度考虑，由于建筑使用功能的考虑，在四角位置均设置了角窗，而且结构左右上下均不对称，这无疑都加大了结构设计的难度，经过多轮调整计算，最终确定相对满意的剪力墙平面布置如下图所示，此时，可以使结构在周期、位移、轴压比、层间承载力等等方面都相对比较合理。
　　当然了，每种结构形式都有其自身的优缺点，我们可以在现有条件下，扬长避短，尽可能地使大家各用其长，在满足建筑使用要求的前提下，做到结构设计的安全、经济、合理。以上是本人的一点拙见，不足之处欢迎同行指正。
　　参考文献：
　　1.《建筑抗震设计规范》GB50011-2010
　　2.《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010
　　3.《建筑结构专业技术措施》北京市建设设计研究院编
　　4.建筑物抗震构造详图（多层和高层钢筋混凝土房屋）11G329-1中国建筑标准设计研究院