试议影响框剪结构设计的因素和技术措施

摘要：建筑结构逐步向高层化发展，框架、剪力墙、筒体等结构已变成当前高层钢筋建筑结构设计中的主要结构形式。框架—剪力墙结构容易满足不同建筑功能的要求，同时又具有较强的抗震能力。本文分析了框架—剪力墙结构设计的影响因素，论述了提高框剪结构抗震性能的措施。

关键词：框架—剪力墙结构；抗震设计；影响；

中图分类号：TU352.1+1 文献标识码：A

1．引言

由于框架剪力墙结构的使用空间灵活，空间整体性好，越来越多的高层建筑倾向于采用框架—剪力墙结构。在高层建筑中, 剪力墙结构因其结构刚度大，在水平力作用下侧向变形小,有利于避免设备管道与非结构构件的破坏, 因而得到了广泛的应用。本文就影响框架剪力墙结构设计的因素作了简单的阐述。

2．框架-剪力墙结构的概述

2.1框剪结构的概念

框剪结构是框架—剪力墙结构的简称，由梁柱构成，小部分是剪力墙。墙体全部采用填充墙体，由密柱高梁空间框架或空间剪力墙组成，在水平荷载作用下起整体空间作用的抗侧力构件。适用于平面或竖向布置繁杂、水平荷载大的高层建筑。框剪结构是框架结构和剪力墙结构两种体系的结合，吸取了各自的长处，既能为建筑平面布置提供较大的使用空间，又具有良好的抗侧力性能，常用于高层的办公楼、商场、酒店和底商住宅。

2.2框架剪力墙结构设计受力特点

框剪结构在水平面内的位移呈现出来的特征是介于框架与剪力墙结构之间的形态，呈剪弯型。所以在框架—剪力墙结构中，剪力墙在下部的层面形变较小，而在高层建筑的上部，框架结构的形变较小，可以协助剪力墙作用，抵抗剪力墙外拉式的形变，从而承担更大的水平剪切力。由于框剪结构中的剪力墙侧向刚度比框架的侧向刚度大得多，在水平荷载作用下，约80%以上由剪力墙来承担。在抗震结构设计中，框架—剪力墙结构中的剪力墙，是作为该结构体系第一道防线的主要的抗侧力构件，而作为第二道防线的框架，除承担水平力作用下的那部分剪力外, 还要负担拉回剪力墙的附加剪力，框架与剪力墙相互作用，共同工作。从受力特点看，剪力墙分配到的剪力远大于框架，这使得各层梁柱的弯矩比较接近, 按框剪结构协同工作计算内力，有利于减小梁柱规格。

3．框剪结构抗震设计的影响因素

3.1框剪结构中剪力墙数量的合理性

《高层建筑混凝土结构技术规程》第8.1.3条规定，在框剪结构中，当剪力墙部分的地震倾覆力矩不大于50%结构总倾覆力矩时，其框架部分应按纯框架结构抗震等级采用。这说明剪力墙数量最少应满足承受大于50%总地震弯矩的要求，这是剪力墙数量的一个下限；另一个下限是功能性方面的要求，即变形限值的要求，剪力墙的数量最少应使结构满足在侧向力下的水平位移限制的要求。这两方面决定了最少应布置的剪力墙数量。《高规》第8.1.4条规定在框剪结构中每层框架总剪力应按0.2V0和1.5Vf，max（V0为结构底层总剪力，Vf，max为各层框架承担的地震总剪力中的最大值）二者的较小值采用，因而合理剪力墙数量的最大值应是以能充分发挥框架的性能满足0.2V0的要求为宜。因此在满足规范规定的限值条件下，尽量减少剪力墙的数量，并能充分发挥框架承担0.2V0楼层总剪力的作用，这样结构的地震反应相对较小，且做到经济合理。

3.2框剪结构布置的合理性

在平面布置中，一般按照“均匀、对称、分散、周边”的原则，尽量使刚度中心与荷载合力中心重合或尽量靠近，以避免产生显著的扭转；尽量使每片墙肢长度不要太长，在同刚度情况下多布置一些墙片，以防受力过分集中，在近年来的设计实践中，对过长的墙肢或刚度过大的剪力墙开设结构洞口，通过连梁连接，提高了其延性，在抗震计算中其效果也比较明显。在竖向布置方面，要求沿高度其侧向刚度比较均匀，构件截面由下至上逐渐减小，避免突变。在结构布置中，填充墙刚度对整体结构的影响是不能忽视的，其布置也应均匀、对称，同时尽量使用轻质材料，一方面降低建筑物自重，另一方面减少对总体刚度的影响。

3.3影响框剪结构计算的参数设置

在框架—剪力墙中，剪力墙的受力特征一般采用结构性的刚度特征值λ来表示，即框架刚度与剪力墙的比值来表示。若忽视连梁的约束变形和轴向变形，则可以用下式来表达：

式中：H—建筑的总体高程；

Gf—框架结构的水平刚度；

EIw—剪力墙的折算总抗侧刚度。

工程实践表明，如果λ值过小，则意味着框架结构的总体剪力刚度与剪力墙的弯曲刚度的比值变小，整体结构的弯曲形变呈现弯剪形态，即剪力墙的数量过多，这时建筑的刚度增大，自振周期变短，地震力却增加，结构的延展性就会降低，尤其是对建筑物的顶部最为不利。普遍情况是剪力墙越多对抗震越有利，但不能超过一个合理的限度，否则会造成负面影响。为使框剪结构更为有效，一般选取λ≥1.15比较合理。λ值也不是越大越好，如果λ过大，框架的总体剪力刚度剪力墙的弯曲刚度的比值增大，结构呈现剪弯形态，，即剪力墙的数量过少，这会导致刚度减弱，不能满足形变的要求，同时框架的受力变大，导致梁柱的截面增大，增加了成本，实践证明，一般λ≤2.4为宜。

3.4结构设计的经济性

在结构设计中安全、适用、经济三个要素非常重要，相互制约和平衡。直接经济指标对任何形式都适用，一般采用结构造价百分比、单位面积结构综合造价或者单位面积材料用量的方式来表示。但超高层建筑具有施工周期长、投资回收慢、竖向构件面积大等特点，也可用间接经济指标来补充衡量。对任何一个结构体系来说，S≤R( S 为效应、外部条件；R 为结构具备抗力、变形要求) 是必须满足的。实现结构的经济性，必须从公式的两端同时入手，才能取得最佳效果。首先，在高层建筑中，风荷载是主要水平控制荷载，因此，减小风荷载是最有效的措施之一；其次，提高抗侧力结构的效率是节约材料用量的有效途径；不同材料的有机组合也可发挥材料各自的优点，降低结构综合造价；最后，确定合理的设计性能指标，既确保结构安全，又能满足经济要求。

4．提高框剪结构抗震性能的措施

4.1提高框剪结构中剪力墙的抗震能力

⑴将剪力墙做成四周有梁柱的带边框墙。边框(明框和暗框)可阻止斜裂缝向相邻发展，还可在墙板破坏后作承重构件代替墙板承重且有一定延性。边框应具有足够的斜截面受剪承载力，以承担因墙身通裂对边框梁柱引起的附加剪力。

⑵控制每肢墙的高宽比。必要时可设结构洞口或结构竖缝使变成双肢墙或多肢墙,可控制裂缝和屈服部位出现在结构竖缝和洞口连梁处，形成耗能机构，同时使原剪力墙一分为二，刚度降低，避免发生剪切破坏和底部墙体过早屈服。

⑶剪力墙的刚性连梁，其跨高比往往仅为 1左右。而试验表明：当连梁的跨高比为5时，延性和耗能很好，连梁两端相对竖向位移的延性系数都在 8以上，滞回曲线也相当饱满；当跨高比降至 1时，延性系数则降至 3左右，滞回曲线严重捏扰，耗能很小，最后弯剪破坏。因此，需要对它的组成和构造采取一定措施。

4.2改善框剪结构中框架的抗震能力

⑴对框架结构的角柱进行强化。角柱是连接横纵框架的关键，要增加框架结构的整体性，就需要增加角柱的抗剪能力。

⑵在框架的平面内设计一定数量的钢筋混凝土墙板，这样可以有效地克服框架剪力滞后的情况，提高框架结构的整体性和抵抗推力的刚度，减少整体结构的侧向移动，特别是层间的位移，其形式为K或X型。但应注意这样的结果是延性较差，如果在墙板上适当地开设洞口，人为地使之出现结构薄弱部位，形成延性的耗能墙板，则更加有效。

⑶在结构中增加偏交斜撑等赘余构件，用弯曲耗能的形式代替轴变的耗能形式，其中折曲支撑可以用钢纤维混凝土杆来制造，偏心连接支撑一般采用钢杆或者劲性钢筋混凝土杆构成。在强烈地震中，一方面可以利用这些赘余构件来实现先行屈服和形变消耗地震能量；另一方面当这些赘余构件因为变形失去作用后，整体结构会发生稳定体系的变化，而诱发建筑自身周期的改变，可以避免地震造成的建筑物的共振效应。

5．结束语

现实生活中对框剪结构进行设计时，应根据业主的不同需求，合理确定剪力墙的数量，灵活布局，在适当的部位设置具有相当大刚度的剪力墙，保证框剪结构的稳定性。对于抗震设计也要特别用心，使建筑物具有较好的延性、整体性，较高的承载力，较强的吸收地震力的能力。作为结构设计人员也应加强学习，了解新技术，积累工作经验，设计出更多的安全适用、经济合理的优秀作品。参考文献

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作者简介：杨长艳（1984-），女，新疆维吾尔自治区阿克苏市人，助理工程师，2007年6月毕业于西南林学院，现从事建筑结构设计工作。