框架剪力墙结构中剪力墙布置的优化设计

摘 要：框剪结构综合框架与剪力墙两者的优点，框架主耍承受竖向荷载，而剪力墙主要承受水平荷载。两者分工明确，受力合理，取长补短，而广泛应用于高层建筑中。

关键词：框剪结构 框架 剪力墙

中图分类号：S611文献标识码：A文章编号：

引言

目前高层建筑体型相对复杂，而在这些复杂的结构体系中，框剪结构综合了框架结构与剪力墙结构两者的优点，广泛应用于高层建筑中。通过对138幢高层建筑统计发现有67幢都是采用框剪结构体系。然而在框剪结构中，剪力墙数量的设置，剪力墙位置的布置和剪力墙之间的间距，集中体现了整个框剪结构的经济性能和抗震性能。因此，对框剪结构体系中的剪力墙进行合理的优化设计非常重要。

高层建筑结构中，水平力的作用是主要的设计因素。在框剪结构中，剪力墙作为主要的抗侧力构件，它几乎承担了80%的风荷载和水平地震作用，剪力墙刚度(数量)的大小接影响到结构的抗性能及经济性能。如果刚度选择过小，结构将产过大的变形，而不能满足使用要求；如果刚度选择过大，结构的自振周期扣会减小，地震作用相应也会增大。这样不仅使得上部结构内力变大，材料耗量也将增大，而且增加了基础的设计难度，基础造价相应提高。同时剪力墙过大，框架承担的水平作用也有所降低，但是在设计时，为了保证框架结构部分的安全，采用的设计剪力不能小于一定的限值，也就是说剪力墙再多，框架部分需要的材料也不能减少甚至可能会增加。因此，从抗震抗风角度看，剪力墙宜多设置为好；从经济角度看，剪力墙又宜少设置为好，这就产生了剪力墙最优刚度的问题，是框剪结构优化设计的关键。

二、框剪结构的分析方法介绍

框架和剪力墙是两种性质完全不同的抗侧力结构，但由于刚性楼盖将框架与剪力墙连结在一起。因而在抵抗水平荷载时，它们原有的力学特性和变形规律发生改变，在同一标高处，他们侧移一致，致使他们各自承受的水平荷载按照协同工作关系进行分配比例而计算。

目前采用的是电算法，其求解方法为矩阵位移法，它计算的结果相对手算法更为精确。其要点为：所选取的基本未知量为节点的位移，把结构离散化为单元,建立刚度方程，将单元组装成整体，满足平衡条件和变形协调条件(通过杆端位移等于节点位移来实现)，建立框剪结构的总刚度方程。采用矩阵位移法计算高层结构的水平荷载的基本假定：

1.假定在自身平面内楼板绝对刚性，即在自身平面内整个楼板在水平荷载作用下作刚体移动和转动，同一楼层处的结构位移参数相同。

2.假定在自身平面内各轴线上的结构刚度∞，即可以把整个结构当成平面结构来计算。

三、地震作用下框剪结构中剪力墙抗侧刚度的优化

在进行框剪结构的设计时，首先应确定建筑的柱网尺寸，接着根据己知的竖向荷载及建筑高度确定梁、柱的截面尺寸，最后确定抗震墙的数量。这是在进行初步设计时所做的准备工作。剪力墙抗侧刚度的多少，直接关系到结构能否做到经济、安全、合理。

在一个独立的结构单元内，抗震墙的布置数量，应符合这条要求：在结构单元的两个主方向，按照《抗震规范》地震作用下计算出的结构弹性阶段层间位移角的最大值，即高层公共建筑不大于1/800。框剪结构体系中剪力墙如何设置是一个非常重要的问题，包括数量和位置，优化的关键环节在于框剪结构体系能否达到经济、安全及合理。

结构单元独立设计时，设置剪力墙的数量应符合下列原则和要求：

1．为了能够充分发挥框剪结构体系的结构特性，在水平地震作用下，按照第一振型计算的总剪力墙底部所承受的地震倾覆弯矩不小于50%的结构总地震倾覆弯矩的。否则结构应按照框架结构对待。

2．在结构单元的两个主轴方向,按照结构弹性法计算楼层层间最大位移与层高之比A=u/h，对高度不大于150m的高层建筑，不应大于1/800；对高度不小于250m的高层建筑，不应大于1/500；高度在150m~250m之间的高层建筑，按线性插入选用。

3．对于单片剪力墙，其底部承担的水平剪力不宜超过框剪结构底部总水平剪力的40%。

4．要进行剪力墙刚度的优化，需要的设计变量如下

(1)刚重比要求

在水平地震作用下,高层钢筋混凝土框剪结构的变形曲线呈弯剪型,随结构抗侧刚度的减少，重力荷载的二阶效应(P-效应)不利影响呈非线性增长结构的抗侧刚度与重力荷载之比是影响P-效应的重要参数，刚重比限值与层间侧移角限值对控制结构抗侧刚度均是非常重要的。当结构的水平荷战较小时，抗侧刚度虽然能够满足层间侧移角限值的要求，但通常满足不了刚IE比限值的要求。所以在剪力墙抗侧刚度优化时，必须满足规范所规定结构刚重比的最低限值。

(2)剪重比要求

结构剪重比(即水平地震剪力系数)是指楼层剪力与其上各层重力荷载代表值之和的比值，它体现结构在水平地震作用下反应强烈的一个重要指标，主要与结构体型、结构布置和抗震设防烈度有关。因为地震影响系数在长周期段下降比较快，计算在水平地震作用下的基本自振周期较大时所产生的结构效应可能偏小。为了保证高层建筑结构的安全性，计算水平地震作用时，剪重比需满足规范限值要求，使水平地震作用计算不会太小。

(3)楼层剪力要求

在楼层剪重比满足要求的前提下，框架作为第二道抗震防线应该具有一定的抗侧能力，因此每一层框架总剪力不应低于0.2Vo和1.5Vf, max两者的较小值。

四、总结

框剪结构中的剪力墙布置的合理行，可以使结构刚度、受力变形等方面有更有效的性能，更能发挥框剪结构中框架和剪力墙两种不同结构形式的优点，同时在一定程度上降低了结构的上部自重，减少了工程造价，有较好的经济指标。

参考文献：

[1] 混凝土结构设计规范 (GB 50010―2010) 北京:中国建筑工业出版社 2010

[2]建筑抗震设计规范(GB 50011-2010)北京:中国建筑工业出版社 2010

[3]高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 3―2010) 北京:中国建筑工业出版社 2010