高层框架―剪力墙结构设计探讨

摘 要：介绍了框架-剪力墙结构体系的概念及特征，总结了该结构的变形及受力特点，结合设计经验，归纳了框架-剪力墙结构设计的要点，并做简要分析。

关键词：高层建筑；框架-剪力墙结构；结构设计

0 引言

框架―剪力墙结构兼有框架结构布置灵活、延性好的优点和剪力墙结构刚度大、承载力大的特点，已被广泛用于各类建筑。但作为多种结构体系的融合，在设计上具有一定的复杂性，本文主要介绍了框架-剪力墙结构体系的概念及特征，总结了该结构的变形及受力特点，结合设计经验，归纳了框架-剪力墙结构设计的要点，并做简要分析。

1 框架-剪力墙结构体系的概念及特征

框架―剪力墙结构由框架和剪力墙两种不同的抗侧力结构组成，在结构中同时布置框架和剪力墙，就形成框架―剪力墙结构；两个方向的剪力墙围成筒体，就形成框架―筒体结构（不是框筒结构），二者可以统称为框架―剪力墙结构。当剪力墙承担的倾覆力矩小于总倾覆力矩的50%时，虽然可以归入框架―剪力墙结构，但是框架部分应当按纯框架结构确定其抗震设计等级。一般的，抵抗地震作用时，剪力墙（筒体）为第一道防线，框架为第二道防线，形成多道抗震设防结构。

2 框架-剪力墙结构的变形特点

框架结构体系在水平力作用下，其变形曲线属于剪切型。剪力墙结构体系在水平力作用下，其变形曲线属于弯曲型。框架-剪力墙结构体系中，既有框架又有剪力墙，因受到各层楼盖的约束，它们不能像单独的框架和剪力墙那样自由地变形。各层楼盖因其巨大的水平刚度迫使框架和剪力墙的变形协调一致，在不考虑扭转影响的情况下，假定各层楼板的水平刚度为无穷大，那么，整个框架-剪力墙结构体系在水平力作用下的变形曲线是介于单独框架变形曲线和单独剪力墙变形曲线之间的一条呈反S形的曲线（图1），其变形性质属于弯剪型。框架-剪力墙结构体系变形曲线的形状，将随体系中框架和剪力墙的相对数量和抗侧刚度比值而变化。剪力墙的数量很少时，整体变形曲线就接近于剪切型；剪力墙的数量很多时，整体变形曲线就向弯曲型靠拢。

（a）框墙并联体（b）框架变形（c）剪力墙变形（d）墙和框架的相互作

3 框架-剪力墙结构的受力特点

在框架-剪力墙建筑结构中，通过平面内无限大刚度的楼盖将框架和剪力墙连接在一起，使其形成了一个网络结构，共同抵抗水平向的侧应力，不会单独受到各种弯曲变形或者剪切变形的影响，框架-剪力墙在同一个楼层的位移是基本相同的。在框架-剪力墙结构中，剪力墙在下部的层面形变较小，承担了80%以上的水平向剪力，而在高层建筑的上部，框架结构的形变较小，可以协助剪力墙进行作用，抵抗剪力墙的外拉式的形变，从而承受更大的水平剪切力。可见，框架-剪力墙结构实际上就是综合了框架和剪力墙这两种结构的优势，有效地协调了水平的形变，从而达到减小结构性形变的效果，增强了结构的侧向刚度，提高了建筑的抗震能力，在高层建筑的结构设计中适用性较好。

4 框架-剪力墙结构设计要点

4.1结构布置

（1） 布置原则

剪力墙的平面布置原则是均匀、分散、对称、周边布置。均匀、分散原则是要求每片剪力墙的刚度不要太大，连续尺寸不要太长，使剪力墙的数量多一些，分散一些，每一片墙肢的弯曲刚度适中，不会因为个别墙肢的局部破坏而影响整体的抗侧力性能。刚度愈大的墙肢承担的吸收荷载也愈大，同样的也要考虑墙肢开洞，来减轻个别墙肢的刚度集中问题。周边原则是为了使建筑物的刚度中心和平面形心尽量吻合，保证建筑物抗扭能力。剪力墙的布置在应力易集中处（平面形状出现变化的地方）：端部转角处、凸凹角处等等。另外，由于建筑的空间要求（形成大面积的楼板开洞）、楼梯间、电梯间以及管道井等处开洞对楼板刚度的连续性形成严重破坏的，我们有必要在这些地方增设剪力墙。

剪力墙在竖向宜沿建筑物全高设置，尽量不要随意中断，且横向与纵向的剪力墙宜相连。剪力墙宜在两个主轴方向组合布置成L形、T形以及口字形的筒体，尽量避免一字形墙的出现，这样可以提高剪力墙的刚度，单片长度较长的剪力墙（≥8 m）宜开洞处理。洞口在竖向上宜对齐处理，洞边距端柱不宜小于300 mm。洞口两侧应按现行规范设置边缘构件，采取加强措施，满足使用功能的要求。

（2） 参数控制

在框架-剪力墙结构中，剪力墙的受力特征一般采用结构性的刚度特性值λ来表示，即框架刚度与剪力墙的比值来代表。若忽略连梁的约束形变和轴向形变，则可以用（1）式来表达：

λ=H（Cf / EIw）0.5

式中：H为结构总高度；Cf为框架结构的抗侧刚度；EIw为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，即剪力墙的使用数量过多，这时建筑的刚度增大，结构的延性就会降低。为了使框剪结构更为有效，一般选取λ≥1.15是比较合理的。λ值也不是越大越好，如果λ值过大，框架的总体剪力刚度与剪力墙的弯曲刚度的比值就增大，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，同时框架的受力偏大，导致梁柱的截面增大，增加了成本。实践证明， 一般以λ≤2.4为宜。

4.2 剪力墙的厚度

在框剪结构中，剪力墙的周边应设置梁（或边梁）和端柱组成的边框。在规范中有规定剪力墙的截面厚度：1）抗震设计时，一、二级剪力墙的底部加强部位的厚度均不应小于200mm，且不宜小于层高的1/16；2）其他情况不应小于160 mm，且不宜小于层高的1/20。暗梁的宽度宜与墙同厚，高度可取墙厚的2倍或与该榀框架梁截面等高。边框柱截面宜与同层框架柱截面相同，并应满足框架结构中对框架柱的要求。一般情况下由于基础的埋置深度比较大而导致底层的层高比较高，从而也就要求底层剪力墙的厚度比较大。但我们要在保证墙体稳定性的前提下，尽量的不把层高较高楼层的剪力墙做的太厚。

4.3 抗震设计要点

（1）设计中采用机构控制达成总体屈服效果。在框剪结构中的特定位置，设置一定数量的“塑性铰”，实现对塑性铰发生位置、次序、形变程度的控制，使结构在地震时形成较好的耗能机构。在水平向力的作用中，水平的构件首先屈服，然后才是竖向构件。

（2）平衡结构刚度和承载能力。在框架-剪力墙结构中，剪力墙的数量增多，体积增大，刚度也会随之增加。但是，这就会使结构的自振周期变小，总体水平地震作用加大；反之，结构的刚度就会减小，地震力作用也就变小。因此，在设计过程中，应当根据建筑的基本情况来综合考量，将建筑的设防烈度、高度、装修等级等内容考量在内，以确定结构允许的位移的最大限值，从而确定剪力墙的数量和体积，保证经济和安全并重。

程力学（增刊），2005，468-473.