一种具有框架剪力墙和支撑结构的公共建筑结构体系

摘要

本发明公开了一种具有框架剪力墙和支撑结构的公共建筑结构体系，包括若干层框架，所述框架内设置有剪力墙和人字形支撑，所述剪力墙设置在公共建筑的电梯间或楼梯间位置，所述支撑设置在与所述剪力墙相对应的至少一处避免建筑结构偏心的位置。本发明框架剪力墙+支撑结构能够在对公共建筑结构使用功能影响很小的前提下，较容易满足规范要求；本发明框架剪力墙+支撑结构自重较小，所受地震力介于框架剪力墙结构和框架支撑结构之间，并且同时存在剪力墙和防屈曲支撑，更有利于消耗地震能，从而该结构的抗震能力更好；本发明框架剪力墙+支撑结构造价要比框架剪力墙结构的造价低，且与框架支撑结构造价相差不多，不分上下。

说明书

技术领域

本发明涉及公共建筑结构，特别涉及一种具有框架剪力墙和支撑结构的公共建筑结构体系。

背景技术

随着经济的发展，人们的生活水平越来越高。为了满足人们的生活需求，能够展示多种多样的商品并且能够容纳更多的消费者的大型商场和超市越来越多。此类多层公共建筑通常人流密集、荷载较大，功能涵盖购物、餐饮、娱乐，同时还可能会有地下停车等要求，因而其主要跨度达到9m-12m，层高在5.4-7.2m，层数5-6层，总高度超过24m，已超出多层建筑的高度范围，我们称此类建筑结构为大层高多层公共建筑结构。

由于这种结构具有上述的这些特点，钢筋混凝土框架结构刚度较小，很难满足其刚度要求。通常情况下，设计师会在框架结构的基础上布置剪力墙或者支撑，但同时还会有很多不方便之处存在。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种具有框架剪力墙和支撑结构的公共建筑结构体系，具有容易满足规范要求，抗震能力好，造价低等优点。

本发明所采用的技术方案是：一种具有框架剪力墙和支撑结构的公共建筑结构体系，包括若干层框架，所述框架内设置有剪力墙和人字形支撑，所述剪力墙设置在公共建筑的电梯间或楼梯间位置，所述支撑设置在与所述剪力墙相对应的至少一处避免建筑结构偏心的位置。

所述支撑采用防屈曲支撑。

所述支撑采用钢材制成。

所述支撑设置在建筑结构中填充墙的墙体内。

所述剪力墙沿纵向布置在所述框架内位于建筑结构正面左侧后方的电梯间或楼梯间的位置；所述支撑沿纵向布置在所述框架内位于与所述剪力墙相对应、并且避免建筑结构偏心的前半部的中部位置。

所述剪力墙沿纵向布置在所述框架内位于建筑结构正面左侧后方的电梯间或楼梯间的位置；所述支撑分别沿纵向布置在所述框架内位于与所述剪力墙相对应、并避免建筑结构偏心的前半部的中部位置和前半部的右端部位置。

所述剪力墙沿纵向布置在所述框架内位于建筑结构正面左侧后方的电梯间或楼梯间的位置；所述支撑分别沿纵向布置在所述框架内位于与所述剪力墙相对应、并避免建筑结构偏心的前半部的中部位置和整个右端部位置。

所述剪力墙沿纵向布置在所述框架内位于建筑结构正面左侧后方的电梯间或楼梯间的位置；所述支撑分别沿纵向布置在所述框架内位于与所述剪力墙相对应、并避免建筑结构偏心的前半部的中部位置和前半部的右端部位置，以及沿横向布置在所述框架内位于与所述剪力墙相对应、并避免建筑结构偏心的右半部的中部位置。

本发明的有益效果是：

(1)本发明框架剪力墙+支撑结构能够在对公共建筑结构使用功能影响很小的前提下，较容易满足规范要求。

(2)本发明框架剪力墙+支撑结构自重较小，所受地震力介于框架剪力墙结构和框架支撑结构之间，并且同时存在剪力墙和防屈曲支撑，更有利于消耗地震能，从而该结构的抗震能力更好。

(3)本发明框架剪力墙+支撑结构造价要比框架剪力墙结构的造价低，且与框架支撑结构造价相差不多，不分上下。

附图说明

图1：具有框架剪力墙结构的公共建筑结构体系结构示意图(模型MX1示意图)；

图2：本发明具有框架剪力墙和支撑结构的公共建筑结构体系技术方案一结构示意图(模型MX2示意图)；

图3：本发明具有框架剪力墙和支撑结构的公共建筑结构体系技术方案二结构示意图(模型MX3示意图)；

图4：本发明具有框架剪力墙和支撑结构的公共建筑结构体系技术方案三结构示意图(模型MX4示意图)；

图5：本发明具有框架剪力墙和支撑结构的公共建筑结构体系技术方案四结构示意图(模型MX5示意图)；

图6：具有框架支撑结构的公共建筑结构体系结构示意图(模型MX6示意图)；

图7：本发明实施例1中商场A区平面图；

图8：本发明实施例1中商场B区平面图；

图9：本发明实施例1中商场C区平面图；

图10：本发明实施例1中商场A、B、C区材料成本对比折线图。

附图标注：1、框架；2、剪力墙；3、支撑。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的描述。

如附图2至图5所示，一种具有框架剪力墙和支撑结构的公共建筑结构体系，包括若干层框架1，所述框架1内设置有剪力墙2和人字形支撑3。所述剪力墙2设置在公共建筑的电梯间或楼梯间位置。所述支撑3设置在与所述剪力墙2相对应的至少一处避免建筑结构偏心的位置；所述支撑3采用钢材制成，并采用防屈曲支撑，这种构件主要是由外围约束单元和内核耗能单元组成，当结构受到外加荷载作用时，外围约束单元会起到约束作用，而其内核单元则会出现全截面屈服，从而有效地耗能减震；所述支撑3设置在建筑结构中填充墙的墙体内，既不影响在墙体上开洞，又在一定程度上降低了支撑3对结构空间的占用，减小对空间使用功能的影响。

如图2所示的技术方案一，所述剪力墙2沿纵向布置在所述框架1内位于建筑结构正面左侧后方的电梯间或楼梯间的位置；所述支撑3沿纵向布置在所述框架1内位于与所述剪力墙2相对应、并且避免建筑结构偏心的前半部的中部位置。

如图3所示的技术方案二，所述剪力墙2沿纵向布置在所述框架1内位于建筑结构正面左侧后方的电梯间或楼梯间的位置；所述支撑3分别沿纵向布置在所述框架1内位于与所述剪力墙2相对应、并避免建筑结构偏心的前半部的中部位置和前半部的右端部位置。

如图4所示的技术方案三，所述剪力墙2沿纵向布置在所述框架1内位于建筑结构正面左侧后方的电梯间或楼梯间的位置；所述支撑3分别沿纵向布置在所述框架1内位于与所述剪力墙2相对应、并避免建筑结构偏心的前半部的中部位置和整个右端部位置。

如图5所示的技术方案四，所述剪力墙2沿纵向布置在所述框架1内位于建筑结构正面左侧后方的电梯间或楼梯间的位置；所述支撑3分别沿纵向布置在所述框架1内位于与所述剪力墙2相对应、并避免建筑结构偏心的前半部的中部位置和前半部的右端部位置，以及沿横向布置在所述框架1内位于与所述剪力墙2相对应、并避免建筑结构偏心的右半部的中部位置。

对大层高多层公共建筑来说，建筑的使用功能比起普通建筑来说有着特殊的要求，对空间要求更大，应该尽量避免对空间进行分隔，要更有效的利用有限的地方布置建筑的必需设备。框架结构是仅由柱子和梁组成的，这就使得建筑的空间使用率最高。框架结构中房间可以灵活布置，它是通过框架1本身来承重结构，结构的墙板只起分隔和围护作用，但是框架结构刚度较小，为满足规范要求通常需要加大柱和梁的截面尺寸，占据一定的使用面积，也会使房间内部出现露柱和露梁的现象。框架剪力墙结构是在框架结构的基础上布置了剪力墙2，剪力墙2的存在会给建筑结构房间的自由分割带来影响，并且会占据较多的使用面积。选用短肢剪力墙2的话，会使剪力墙2带来的不便有所降低。框架支撑结构是在框架结构的基础上添加支撑3，对于大层高多层公共建筑结构比较合适的是人字形支撑3，这种支撑3是对于大跨度结构空间利用率比较高的一种形式。在布置支撑3时尽量将支撑3布置在墙内，不会影响在墙上开洞，洞口可以作为房间的门口，这就把人字形支撑3的优点充分展现出来了，在一定程度上降低了支撑3对结构空间的占用。框架剪力墙+支撑结构仅在楼梯间和电梯间布置剪力墙2，其余部位布置支撑3，除对楼梯间和电梯间的空间有一定影响外，其余部位影响并不大。

现假设一个钢筋混凝土框架结构的抗推刚度为C_F，结构的总重量为G,总高度为25m，且该体系质量与刚度沿高度分布比较均匀。在此框架结构的基础上布置剪力墙2构成框架剪力墙结构，假设剪力墙2的刚度为EI＝200C_F，结构总重量为G₁,总高度不变，质量与刚度仍然沿高度均匀分布。

可得

修正后

结构总水平地震作用标准值

顶点附加水平作用

ΔF_n＝δ_nF_EK＝(0.08T+0.01)F_EK

＝2.08×10^-3G₁^0.95C_F^-0.05+0.26×10^-3(G₁C_F)^0.95>

在此框架结构上布置钢支撑3，将支撑3等效为剪力墙2，假设达到的刚度也为EI，结构总重量为G₂,总高度不变，质量与刚度仍然沿高度均匀分布。

则结构总水平地震作用标准值

顶点附加水平作用

ΔF_n＝δ_nF_EK＝(0.08T+0.01)F_EK

＝2.08×10^-3G₂^0.95C_F^-0.05+0.26×10^-3(G₂C_F)^0.95(8)

因为G₁＞G₂,所以,当框架剪力墙和框架支撑结构刚度相等时，框架剪力墙结构的地震力要大于框架支撑结构的地震力。而框剪结构和框撑结构地震力都是根据框架1和剪力墙2或者支撑3的刚度进行分配的，也就是说当此类结构体系具有同等刚度时，框架支撑结构的框架1和支撑3分配到的地震力更小，更不容易破坏。

同理，框架剪力墙+支撑结构与框架剪力墙结构相比，用支撑3代替了大部分剪力墙2，减小了很大部分质量，且因为支撑3的刚度小于剪力墙2的刚度，会增大配筋率，当并不会影响特别大，所以G₃＜G₁。与框架支撑结构相比，也正是由于小部分剪力墙2的存在，增大了结构的刚度，同时也降低了配筋率，从而G₃与G₂大小相当，差距不大。

对于建筑的结构设计，在保证安全性的前提下，最主要考虑的就是工程的造价。钢筋混凝土框架结构的用钢量高出砖混结构约30％左右，造价偏高。在2010版抗震规范中，更是对框架结构的“强柱”进行了强调，框架柱的配筋增加较多，因此相比框架结构，框架剪力墙结构的混凝土和钢筋的造价减少，并且由于在框架剪力墙结构中部分填充墙由剪力墙2代替，因此建筑结构总的造价有很大的降低。钢筋混凝土框架支撑结构在框架结构的基础上布置支撑，选择恰当的支撑形式不仅对结构的使用功能没有影响，而且增大了结构的刚度，施工相对比较复杂，但节约材料，成本降低。由上文所建模型可知框架剪力墙+支撑结构的造价介于框架剪力墙和框架支撑结构造价之间。

耗能特性是评价结构破坏模式合理性的重要指标之一。结构遭受罕遇地震作用时，框架结构中梁为主要的耗能构件，底层柱也是主要的耗能构件之一，底部几层为主要的耗能层，随着地震动强度的增大，柱和上部楼层耗散的滞回耗能比例慢慢增加。

框架剪力墙结构中框架1与剪力墙2相对比例的变化对结构耗能效果的影响并不明显，其关键因素是连梁与墙肢的相对刚度。也就是说“强墙肢弱连梁”能够保证在地震作用时，连梁先于墙肢受弯屈服，由各层连梁和框架梁，以及墙肢底部耗能，然后由剪力墙2和框架柱耗能，屈服耗能部位明确，而且连梁具有较好的延性和耗能能力，所以耗能效果较好。

框架支撑结构中的防屈曲支撑3不仅能够有效解决普通支撑3在罕遇地震作用时的受压屈曲问题，而且可以作为耗能减震阻尼器对主体结构起到被动控制的作用，弥补了传统抗震方法中靠损伤主体构件来耗能的缺点，从而有效的耗散地震能。而框架剪力墙+支撑结构正是同时吸收了剪力墙2和支撑3的耗能优点，在罕遇地震作用时，使结构中剪力墙2和防屈曲支撑3共同作用，一方面支撑3起到耗能减震阻尼器的作用，另一方面由刚度较大剪力墙2耗能，共同达到抗震效果。

通过在PKPM中设置六个模型(如图1至图6所示)对比可以看出框架剪力墙+支撑这种结构体系比框架剪力墙结构以及框架支撑结构都存在明显的优势，而且当布置的支撑3数量相等时，不同的位置起到的效果有着很大的区别，能够找到合适的布置形式就可以大大降低成本且大大增强结构刚度，且在表1中可以看出在不需要增加成本的前提下，只要找到合适的模型，就可以大大减小最大层间位移角。如果把最大层间位移角限值定为1/800，并没有节约成本，反而因钢支撑3的存在，使建筑结构偏于不安全，所以把此种结构形式的最大层间位移角限值选择更安全的1/1000更合理，并且其中支撑3选用的是防屈曲支撑。

表1模型计算结果

实施例1

某工程为家具商场，共分为A、B、C三个区(如图7至图9所示)。首层6.2m，其余各层4.8m，共五层，建筑总高度25.4m。该结构最大跨度为9m。设计使用年限50年，抗震设防烈度为8度，耐火等级二级。下面用PKPM软件在框架结构的基础通过布置剪力墙2或者支撑3，对该工程进行优化分析。

由于剪力墙2和支撑3布置情况不同会对结果有影响,所以将商场的A、B、C三个区均建立了五个模型共十五个模型来减少误差，分别为框架结构M1_A、M1_B、M1_C,框架剪力墙结构M2_A、M2_B、M2_C,框架支撑结构M3_A、M3_B、M3_C,框架剪力墙+支撑结构(弹性层间位移角限值为1/800)M4_A、M4_B、M4_C,框架剪力墙+支撑结构(弹性层间位移角限值为1/1000)M5_A、M5_B、M5_C。结构形式为框架剪力墙结构时，其中除楼梯间以外的剪力墙2均为短肢剪力墙，降低了墙对使用空间的影响，布置起来也更加灵活。结构形式为框架支撑结构时，支撑3选用的是H型钢，人字形支撑3形式，模型参数见表2，计算结果见表3、表4、

表2模型参数

表3 A区模型计算结果

表4 B区模型计算结果

表5 C区模型计算结果

本工程中材料成本价为混凝土500元/m3钢筋3.2元/Kg，防屈曲支撑1000元/套(包括维修费用)。根据上面的表格，结构每平方米的材料成本如图10所示。

由表2可知，虽然框架结构的使用面积较大，能够较容易满足商场的使用功能，但因刚度较小，为满足规范必须加大构件尺寸。所以在使用功能方面，框架结构虽然有优势，但是并不是很明显。框架支撑结构虽然支撑3可以不分藏于墙内，但因支撑3刚度较小，需要布置支撑3数目较多，所以对结构使用功能影响也比较大。结合这几种结构各自的特点，使用功能方面的排列顺序是框架结构>框架剪力墙+支撑结构(弹性层间位移角限值为1/800)>框架剪力墙+支撑结构(弹性层间位移角限值为1/1000)>框架支撑结构>框架剪力墙结构。

综合比较表2、表3、表4中的基底剪力可知，当最大层间位移角满足规范时，结构吸收的地震力由多到少的顺序是框架剪力墙结构>框架结构>框架剪力墙+支撑结构(弹性层间位移角限值为1/1000)>框架剪力墙+支撑结构(弹性层间位移角限值为1/800)>框架支撑结构。

综合比较图10中A区、B区、C区的材料造价，框架结构造价最高，然后是框架剪力墙结构，而框架支撑结构、框架剪力墙+支撑结构(弹性层间位移角限制为1/800)以及框架剪力墙+支撑结构(弹性层间位移角限制为1/1000)造价高低的比较并不明显。

综合使用功能、抗震以及造价三个方面可知，比较适合该商场的结构为框架剪力墙+支撑结构，而最大层间位移角限值选取1/800和1/1000对相差不大，则选取偏于安全的1/1000更合适。

通过上文建模计算与工程算例的计算结果相结合可以得以下结论：(1)框架剪力墙+支撑结构是在框架剪力墙结构的基础上加设支撑3，能够在对结构使用功能影响很小的前提下，较容易满足规范要求。(2)框架剪力墙+支撑结构所受地震力介于框架剪力墙结构和框架支撑结构之间，并且同时存在剪力墙2和防屈曲支撑3，更有利于消耗地震能，从而该结构的抗震能力更好(3)框架剪力墙+支撑结构造价要比框架剪力墙结构的造价低，且与框架支撑结构造价相差不多，不分上下。(4)对于大层高多层公共建筑来说，更适宜采用框架剪力墙+支撑结构，且最大层间角限值适合选取1/1000。