钢筋混凝土及剪力墙结构设计探析

摘 要：本文对框架一剪力墙结构设计中的几个主要问题进行探论。

关键词：框架；剪力墙；钢筋混凝土

中图分类号：TU37文献标识码：A 文章编号：

1框架一剪力墙结构的受力和位移

1.1框架一剪力墙结构体系的受力特点

框架是由粱柱线性杆件组成的，框架的受力特点类似竖向悬臂剪切梁，其变形曲线为剪切形，在纯框架的结构中，所有框架的变形曲线都是类似的。所以，水平力按各框架的抗推刚度D比例分配。

剪力墙是竖向悬臂弯曲结构，其变形曲线为弯曲形，在平面内有很大的抗弯曲刚度，在一般剪力墙结构中，所有抗侧力构件剪力墙的侧移曲线都是类似的，水平力在各片剪力墙之间按其等效刚度肼比例分配。

框架一剪力墙结构体系的受力特点。在同一结构单元中，二者是通过水平面内刚度无限大的楼板连接在一起的，以致于它们不能单独按各自的弯曲变形或剪切变形而自由变形。它们在同一楼层的位移必须相等，在不考虑扭转的情况下，由于框架与剪力墙共同工作，彼此相互作用。

1.2 框架一剪力墙结构位移的特征

框架一剪力墙结构体系在水平力作用下的侧向位移与框架一剪力墙结构的刚度特征值λ有关，即

式中 C1——框架总剪力刚度

C1=ΣD•H

E1w——剪力墙的弯曲刚度

当λ≤1时，即框架的总剪力刚度与剪力墙弯曲刚度的比值很小：也就是剪力墙数量很多，侧移曲线与独立的悬臂梁一样，即为弯曲变形的形状.也就是接近剪力墙单独受水平力的变形曲线.

当λ≥6时，即框架的总剪力刚度与剪力墙弯曲刚度的比值很大，也就是框架一剪力墙结构中剪力墙的数量很少，侧移曲线是剪切变形的形状，接近纯框架变形曲线。

当λ=1～6之间时，侧向位移曲线介于弯曲与剪切变形之间，随着λ值的增大，剪力墙抗弯曲刚度与框架的总剪力刚度比相对薄弱，即框架承担的荷载相对增加，体系的变形曲线就接近总框架变形曲线。

2 框架一剪力墙结构中剪力墙的布置和数量

2.1 剪力墙的布置

剪力墙的布置一般原则是均匀、分散、对称、周边及均匀。分散原则是要求剪力墙片数不要太少，而且每片剪力墙刚度不要太大，连续尺寸不要太长，使抗侧力构件数量多一些，分散一些，每片剪力墙的弯曲刚度适中，在使用中不会因为个别墙的局部破坏而影响整体的抗侧力性能.也不会使个别墙的受力太集中，负担过重而引起过早的破坏。刚度过大的墙承担的内力也大，相应的基础处理难度增加，同时也考虑到剪力墙相距太远，楼面刚度要求大，很难满足要求，周边的原则是考虑建筑物抵抗扭转能力，便于保证刚度中心与平面中心相吻合；剪力墙布置在周边对称位置，增加抵抗扭转的内力臂，在不增加剪力墙面积的情况下，提高抗扭转能力。

剪力墙布置的位置应设在平面形状变化处，即：角隅、端角、凹角。这些部位往往是应力集中处，设置剪力墙给予加强是很有必要的；高层建筑的楼梯间、电梯间、管道井处等的楼面开洞严重地削弱楼板刚度，对保证框架与剪力墙协同工作极为不利.因此，在工程设计中用剪力墙来加强这些薄弱端部，如楼梯间、电梯井道处、竖向管道井设计加强的钢筋混凝土墙是十分有效的。

剪力墙的间距：现浇钢筋混凝土楼盖L/B=2～4为宜；装配整体式钢筋混凝土楼盖L/B=1～2.5为宜。原则是建筑物愈高、抗震设防烈度愈高，间距取值愈小。

2.2 剪力墙合理数量的确定

剪力墙的合理数量按许可位移决定，按高层建筑规范中一般装修材料，框架一剪力墙结构顶点位移与高之比u/H不宜大于1/700，装修要求较高时u/H不宜超过1/850，在满足这个要求的前提下，增减剪力墙的数量。

用结构自振周期校核剪力墙布置数量是否合理，因为从地震作用本身来分析，剪力墙结构刚度小，地震作用小，位移限制较易满足，但这种结构在工程上有可能不很合理，结构的自振周期有可能不在合理范围内，结构自振周期的合理范围大致为

T1= (0.09～0.12)Ns

式中:Ns——楼层数

依据实际工程中的剪力墙数量作为布置剪力墙数量的参考，用底层结构截面积(包括剪力墙Aw和框架柱截面积Ac)与楼面面积Af之比(Aw+Ac)/Af来估算剪力墙数量，或用剪力墙面积Aw与楼面面积Af之比来估算，框架柱Ac由轴压比控制(表1)。

设防裂度

场地条件

7度 II

3%～5% 2%～3%

8度 II

4%～6% 3%～4%

表1底层结构截面积与楼面面积之比

3 框架一剪力墙结构方案的确定

3.1 框架一剪力墙结构方案选型

对于有抗震设防的框架一剪力墙结构，正确而合理的设计方案其首要任务必须满足抗震设防的要求，在场地地基、建筑体型、结构体系的质量、刚度分布、构件强度、延性等方面要慎重考虑。

框架一剪力墙结构中，剪力墙是框架剪力墙结构体系中抗震设防的第一道防线，框架主要承受垂直力，在两片单肢剪力墙间的连梁其受力是相当复杂的，如图1连梁如果为连接刚度很大的剪力墙肢，在水平力作用下将产生相当大的弯矩和剪力。框架一剪力墙结构设计计算中，往往以改变连梁高度尺寸或加大洞口尺寸来减小墙肢刚度，来调整连梁的内力，合理地设计连梁的弹塑性变形来消耗地震能量，成为框架一剪力墙结构中第一道防线。从这概念讲，图1中的连梁就不应该作为楼面梁的支承主粱，也不宜承受较大的竖向荷载，这样就可以避免连梁在地震时先期破坏以后使结构的竖向承载力受太大的影响，造成结构的不安全和不稳定。

图1平面图 图2缩颈平面图

如图2平面，非常不规整，凹凸很多，缩颈现象严重，凡是在突变，缩殒处受力复杂，应力集中。这种凹凸、缩颈使楼面的平面刚度削弱严重，彼此之间由楼面连接，协同工作的功能大大降低，平面形状复杂，凹面很多的方案对抗震是非常不利的，在方案设计阶段必须足够重视结构选型。

图3、图4方案表示主楼与裙房之间不设结构缝的情况，图4表示主楼2O层与过长的裙房6层连接，通道过窄，在地震时裙房与主楼的震动不协调，裙房外甩大，是会加重地震灾害的。

图4平面中，由于建筑功能要求设置一个亮顶共享空间，使裙房楼面连接处开了一个很大的洞,计算分析内力时是按整体分析的，而工程实际无法形成统一的整体，空间整体分析内力是偏于不安全的，而且裙房与主楼连接处在地震作用下是会加重震害的。结构设计中应该避免这种情况，或裙房与主楼分成两个结构单元分析。

图3平而图 图4平而图

3.2 框架一剪力墙结构设计

框架一剪力墙结构具有较好的延性和耗能能力，是一种较为理想的抗震结构型式。对于框架一剪力墙结构，合理设计框架、剪力墙以及连梁，对框架剪力墙结构抗震能力是非常重要的。

钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程(JGJ3—91)考虑了框架一剪力墙结构中剪力墙开裂后刚度降低，使框架承受的水平荷载太于弹性分析结果，则规定框架承受水平剪力不小于0.2V0。

框架一剪力墙结构进入弹塑性阶段后，剪力墙上部弯矩增大。下部弯矩减小，反弯点位置下移，剪力墙担负的剪力上、下部变化较大，中部变化较小，但是剪力墙设计控制内力变化不大。