高层建筑框架―剪力墙结构设计研究

摘 要：框架-剪力墙结构体系是由两个不同的系统组成的，它们分别是剪力墙和延性框架，而且由延性较好的结构框架连接而成。这种结构设计比传统的单纯框架结构更加灵活多变，因而被广泛应用于建筑施工中，我国高层建筑中大部分使用此种设计。

关键词：高层建筑框架 剪力墙结构设计

中图分类号：TU208 文献标识码： A

前 言：随着高层建筑的增多，框架―剪力墙在建筑业中对质量和性能方面提出了更高的要求。框架―剪力墙结构用钢筋混凝土墙板代替梁柱，有效地控制结构的水平力，在抗震方面起到了良好的作用。

1、 框架-剪力墙结构设计的基本原则

在建筑中剪力墙结构主要承载的就是水平以及竖直方向的荷载和重力，在剪力墙设计中不但要求其安全合理，还需要对其经济问题进行思考。在设计中，对于各项位移的限制值也需要使其能够满足，对于其构件中的抗侧力构件作用也需要加强思考。对于剪力墙的竖向设计也需要使其能够满足位移限制值相关规范的要求，尽可能的使其数量能够减少，同时对于基本的振力也不造成影响。

1） 调整楼层最小剪力系数方面的原则。在进行剪力墙的设计中对于其构件尽可能的减少布置，其中最佳的设计方案就是进行大开间剪力结构的布置，使得侧向刚度结构能够达到最好的状态。同时，楼层间的剪力系数也要确保较小，但是不能超过相关规范规定的范围，短肢剪力墙承受的地震倾覆力矩以及和整体总底部承受的地震倾覆力比一定要不大于 1∶ 4，这样不但能够将结构自身的重量减小，并且还能减少地震所带来的损害，可节约成本。

2） 调整楼层间最大位移与层高之比方面的原则。在对规范规定的最大楼层间的位移进行计算时，假如建筑所处地区出现地震的情况比较多，对楼层的标准值在进行计算时可以将结构的整体弯曲变形进行保留，在以弯曲变形为主的建筑中需要计入扭转变形。在高层建筑当中重点需要考虑的就是楼层间的剪力变形以及扭转变形。结构的剪切变形主要是通过竖向构件的数量进行确定的，在实际的工程中，有很多构件还是很难满足的，同时还需要加强对构件的合理布局，如果布局不合理，就会导致产生扭转变形，那么楼层间的位移就很难达到要求。所以，相对高层建筑来说，不能简单的只是利用楼层间的位移来进行竖向构件刚度的确认，同时还需要尽可能的减少扭转变形。

3） 调整框架-剪力墙结构连续超限方面的原则。剪力墙结构的连续跨高比如果太小就会出现弯矩和剪力过大的情况，这样就超过了相关规范限度，跨高比一般不小于 2. 5。按照相关规定的要求，在跨高比小于 5 时，连续梁是不能进行折减的，对跨高比的合理选择能够有效的避免剪力和弯矩过量。在进行结构设计中对以上所述有效合理的利用就能够在一定程度上降低工程成本。在对剪力墙的结构设计中，不仅需要符合相关规定，还需要加强对其他方面因素的考虑，对建筑物的立面以及平面一定要尽可能的确保均匀，并且剪力墙结构一定要远离房屋中间，这样是为了确保房屋的整体抗扭能力。

2、 剪力墙分类

（1）根据形态可分为：不开洞的整体墙； 有洞口的联肢墙。（2）按高厚比可分为：截面高度与厚度之比大于8时，称为一般剪力墙； 该值为5～8 时，称为短肢剪力墙； 该值小于5时，称为超短肢剪力墙； 该值不大于3时，称为柱形超短肢剪力墙。（3）按剪跨比可分为： 剪跨比大于2的属于一般剪力墙，在水平地震作用下，可以实现延性的弯曲破坏； 剪跨比在2～1 之间的剪力墙，剪切变形较大，一般会出现斜裂缝，通过强剪弱弯设计，可实现有一定延性和耗能能力的弯曲、剪切破坏； 剪跨比小于1的称为矮墙，这类墙体易发生脆性剪切破坏，设计中尽量避免。对于剪跨比小于2的墙肢，可通过设置较大洞口将其分成剪跨比大于2的墙肢。

3 、框架-剪力墙载荷的计算方法

3.1 竖向载荷的分析方法

对于非框架结构的剪力墙，其竖向载荷主要为剪力墙的自重和楼面压力。竖向载荷作用在连续梁上产生弯矩，作用在墙肢上产生轴力，力的大小与载荷面积成正比。对于有大梁的楼板，剪力墙受到的载荷沿 45 度的扩散角施加到整个墙面上，为计算方便，将梁的作用载荷看做均匀分布的。对于框架结构的剪力墙，其竖向载荷只要为剪力墙的自重。

3.2 水平载荷作用下的载荷分析

剪力墙收的水平载荷可以看作是二维平面的受力分析，分析方法有材料力学分析法、连续化方法、壁式框架分析法和有限元分析法。

（1） 材料力学分析法

材料力学分析法是运用结构力学、理论力学、材料力学，对剪力墙进行受力分析，画出应力分布图、弯矩图，运用材料力学公式计算材料的强度是否满足剪力墙的强度要求，并得到剪力墙的变形和内力。然后通过不断改变材料的用量以及剪力墙结构、数量的调整，获得满足内力和变形要求的剪力墙和材料用量。但这种方法计算公式较多、受力分析简化，计算过程存在误差，适用于整体墙和小开口剪力墙。

（2） 连续化分析法

连续化分析法是将每一层的连梁看成连续连杆，将连杆与剪力墙建立内力微分方程，通过解析方程组，得到内力解，然后将方程组的解做成表格或绘制成曲线，可以直观的反映出连续梁内力分布和变化。这种方法假设条件较多，只适用于具有连续梁约束的联肢墙，计算结果能够达到一定精度，满足一般设计要求。

（3） 壁式框架分析法

这种分析方法将壁式框架简化为带刚域，计算内力和位移，常用的方法有两种，一是将带刚域中的杆件转化为有限元矩阵，经过有限元分析得到带刚域的弯曲变形、剪切变形和轴向力的大小；另一种方法为修正 D 值法，这种方法是由日本武藤清提出的，修正柱的侧移刚度和调整反弯点高度，不考虑框架柱结构的轴向变形，将杆件的变形来修正杆件的刚度，适用于线刚度较大的框架结构。现在最常用的为修正的 D 值法，其计算相对简单、准确。