高层框架剪力墙结构设计问题研究

摘要：本文通过对高层建筑框架剪力墙受力特性和影响因素的分析，指出在框架剪力墙构造设计时应注意的事项，并对如何改善其抗震性能做了简要阐述。

关键词：高层建筑；框架剪力墙；结构设计 ；主要事项

在现代高层建筑中，框架―剪力墙结构因其优良的性能得到普遍的应用。在此结构中，剪力墙是主要抗侧力构件，几乎承担了 80% 以上的水平地震力。因此，在设计时，框一剪结构中剪力墙的数量，除了必须满足强度条件外，还必须使结构具有一定的侧向刚度，以免在地震作用下产生过大的侧向变形。本文将对框架―剪力墙结构设计中涉及到的关键问题进行探讨。

一、受力特性分析和影响因素

1.1 框-剪结构体系的工程应用表明，框-剪结构是框架和剪力墙两种结构的有机结合。剪力墙结构的位移曲线具有悬臂弯曲梁的特征，位移越往上增大越快，成外弯形开口曲线。而在框-剪结构中，框架和剪力墙之间通过平面内刚度无限大的楼盖连接在一起共同抵抗水平力，结构水平位移特征处于框架和剪力墙之间，为反S型曲线，是弯剪型。因此，在框剪结构中，剪力墙在下部楼层变形小，承担了近80%以上的水平剪力，而在上部楼层，框架变形小，可以协助剪力墙工作，抵挡剪力墙的外拉变形，从而承受很大的水平剪力。所以，框剪结构是框架和剪力墙两种结构水平变形的有机协调，从而达到减少结构变形，增强结构侧向刚度，提高结构抗震能力的目的，在结构设计中具有很强的适用性。框-剪结构中框架、剪力墙的受力特性可以用结构刚度特性值λ，即框架刚度与剪力墙刚度的比值来表达。若忽略连梁约束和轴向变形的影响，有：

式中： H 为建筑总高度；Cf为框架平均总刚度；EwIw 剪力墙折算总抗侧刚度。

1.2 影响因素的探讨：

框-剪结构中，剪力墙的布置和用量是由框架、剪力墙的受力特性并结合建筑物的功能、布置来决定的。因此，影响剪力墙用量的因素应主要从以下几个方面加以考虑。

（1）剪力墙的用量与框一剪结构的平面布置有关。剪力墙是框-剪结构中主要抗侧力构件，一般按照“均匀、对称、分散、周边”的原则布置。

（2）剪力墙的用量与结构自振周期密切相关。结构自振周期随剪力墙刚度增大而变短，对于比较正常的框-剪结构，结构自振周期大致为：

T1=（0.08 ～ 0.12）n ；T2≈（1/ 3 ～ 1/ 5） T1； T3≈（1/ 5 ～ 1/ 7） T1

式中： T1，T2，T3 分别为结构第1、2、3自振周期； n 为建筑物总层数。

（3）剪力墙用量与结构地震力大小直接相关。结构总水平地震作用随剪力墙刚度的增大而加大，对于截面尺寸、结构布置都比较正常的结构。当结构底部剪力小于上述数值时，宜适当增加剪力墙用量，提高结构刚度，适当增大地震力以保证安全；反之，地震力过大，宜适当减少剪力墙用量，以求得合适的经济技术指标。

二、框架剪力墙构造的设计注意事项：

2.1部分框架支的设计。对于抗震墙结构和部分框支抗震墙结构，若内纵墙很长，且连梁的跨高比小、刚度大，则墙的整体性好，在水平地震作用下，墙的剪切变形较大，墙肢的破坏高度可能超过底部加强部位的高度，因此将长墙分成墙段，使墙的高宽比大于2，墙段由墙肢和连梁组成。其目的是设置刚度和承载力较小的连梁（跨高比不小6的连梁），这样防止在地震作用下，先破坏连梁，使墙段成为抗侧力单元，且墙段以弯曲变形为主。

2.1抗震端的设计。抗震端和部分框支墙结构的墙肢截面长度沿高度不宜有太大出入和变化，一、二级抗震墙的底部加强区以及墙体洞口较大时，最好不要有错洞布置的剪力墙。

2.3框支层的设计。部分框支的抗震墙结构在地震作用时有可能将变形集中在框支层上，这样就应该首先加固框支层，使其牢固。一般地规范规定是，框支层的侧向刚度不应小于上一层非框支层的侧向刚度的50%。框支墙的水平地震剪力主要由落地剪力墙承担，所以要保证楼板有足够大的平面内刚度传递水平力。落地墙最大水平间距不宜大于24m。

三、改善框剪结构的抗震性能

3.1 设置多道防线一个抗震结构体系应该由若干个延性较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接起来协同工作。在发生地震时，建筑物自身内部、外部赘余杆件吸收和消耗大量的地震能量，减轻地震灾害。对于框剪结构是延性框架和抗震墙两个系统组成，具有两道防线，一道是墙体，一道是框架。

3.2 加强框架的抗震性能

（1）加强框架的角柱。角柱是连接纵横框架的枢纽，要增加框架的空间整体性，就要加强角柱的抗剪性能。

（2）沿周圈框架平面按K 形支撑和X 形支撑布置一定数量的钢筋混凝土抗剪墙板或配筋砌块抗剪墙板，能有效克服框架的剪力滞后现象，显著提高框架的整体性和抗侧刚度，减少结构的整体侧移，特别有利于减少层间侧移。但这种结构的延性较差，因此，可以在墙板上开十字形结构竖缝，使之出现薄弱部位，形成延性耗能墙板。

（3）设置偏交斜撑等赘余杆件，用弯曲耗能代替周边耗能。

3.3 加强整体结构的抗震性能

（1）实行机构控制，实现总体屈服机制。在结构的特定位置设置一定数量的人工塑性铰，对塑性铰发生的区域，顺序及塑性程度进行控制，使得结构在强震下能形成最佳耗能机构。在水平作用下，使水平构件先于竖向构件屈服，最后竖向构件底部屈服。

（2）使结构的刚度和承载力相匹配。

（3）使结构的刚度和延性相匹配。

3.4 考虑填充墙变化的抗震包络设计建筑结构设计经验表明，框剪结构的填充墙数量在一定程度上是一个不确定的量，带填充墙框剪结构在不同层的数量变化而产生一定的变化。所以地震作用产生的层剪力本应首先在框架与填充墙之间分配，但考虑到允许填充墙的位置在一定范围内变化，可以偏于安全地由框架及剪力墙承担承担全部地震剪力，按此方法计算设计的框剪结构可在总体上包络住由于填充墙数量和位置的变化二产生的地震内力的变化。

3.5 裙房偏置的高层结构地震扭转控制主群偏置且相连的高层建筑结构计算符合刚性楼盖假定时可参照下列建议进行扭转计算和抗扭控制。

（1）宜采取小震计算控制和大中震抗震措施并重的原则，尤其不可忽视大中震时的抗扭构造措施。

（2）当扭转位移比≥1.35 时，双向地震作用明显，应进行双向地震作用计算。

（3）受扭敏感区内的竖向构件在大中震下的扭矩不可忽视，且处于有扭矩作用的复杂受力状态。其抗扭构造除满足规范要求外，宜按强扭弱弯采取适当增加抗扭构造的措施。

3.6 剪力墙底部加强部位最小厚度的适当取值：

①剪力墙墙厚按层高确定，还受到轴压比限制。

②对一字形墙体稳定性较差的特点，在没有加厚墙体可能性的前提下，可采用一定的构造措施，以满足稳定性的要求。

三结束语

在高层建筑框架-剪力墙结构设计中应考虑的问题及采用的具体方法很多，都需要设计人员注意，同时对框架-剪力墙结构的布置、计算参数的取值、连梁的设计也应引起重视，这样才会使框架-剪力墙结构充分发挥其应有的作用。

参考文献：

[1] 孙雪兰，浅谈高层剪力墙结构的优化设计[J]，山西建筑，2010，36（24）：58―59.

[2] 张毅，高层结构中剪力墙的构造要求及原因分析[J]，科技资讯，2010（2）：30～31，33.

[3] 赵西安，钢筋混凝土高层建筑结构设计[M]，北京：中国建筑工业出版社，1992.