对高层建筑框架-剪力墙结构设计的探讨

【摘要】本文主要是对高层建筑框架―剪力墙结构设计中的一些要点做了分析，介绍了框架剪力墙结构中剪力墙的布置，探讨了分析计算结果。

【关键词】高层建筑；框架剪力墙结构；连梁设计

中图分类号： TU208 文献标识码： A

一、前言

在结构设计时，框架－剪力墙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。剪力墙配置过少，会因结构产生过大的变形而无法满足安全和使用要求；剪力墙配置太多，既增加材料的用量和结构自重，又减小了结构自振周期，地震作用效应增大。

二、框架剪力墙结构中剪力墙的布置

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，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，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，剪力墙应沿建筑物全高设置，不得沿高度有突变，剪力墙应落地，剪力墙并应在两个主轴方向组合部署成L形、T形或形成封闭的筒，这样可以提高剪力墙自身的刚度，且一片剪力墙的长度不宜大于8m，当超过时，应利用洞口分割成两片墙，功能上不需要洞时，洞口可用不同的材料或轻质材料填充，过长的剪力墙中央部分的钢筋尚未到达屈服阶段，墙端部的钢筋早因变形过大而断开破坏、工程具体情况、建筑物高度、地区设防烈度及参考上面方法取值。

三、剪力墙的分类及其设计要点

1、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―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，位移限制能宽松的满足，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在：T1=（0.09-0.12）NS式中：NS――楼层数剪力墙数量多导致框架―剪力墙结构刚度就大一些，地震时周期短地震力也加大一些，材料耗量增大。

2、剪力墙肢截面短肢分类

按墙肢截面高度与厚度之比，剪力墙墙肢可分为一般剪力墙、短肢剪力墙、超短肢剪力墙及柱形墙肢。一般剪力墙的墙肢截面高厚比大于8，短肢剪力墙的墙肢截面高厚比为5～8，当墙肢截面高厚比在3～5之间时为超短肢剪力墙，墙肢截面高厚比小于3时为柱形墙肢。一般剪力墙墙肢较长，抗侧刚度大，能承受很大的水平及竖向荷载，因此无论是整截面墙还是整体小开口墙及联肢墙的墙肢都应优先布置一般剪力墙。短肢剪力墙因墙肢较短，有利于住宅建筑布置，可以减轻结构自重，应用比较广泛，但其抗震性能较差，地震区应用经验不多，可用于整截面墙或整体小开口墙及联肢墙的墙肢中，考虑到高层建筑的安全，其数量不宜过多，规范对其有严格的限制。因此，在结构设计中，应多布置一般剪力墙，少量采用短肢剪力墙，如有可能尽量不用超短肢剪力墙及柱形墙肢。但一般剪力墙也不是墙肢越长越好，当墙肢高长比H/hw或剪跨比大于2的一般剪力墙，称为高墙，其受力状态为弯剪型和弯曲型，其破坏为弯曲破坏，属于延性破坏。墙肢高长比H/hw或剪跨比不大于2的，在水平地震作用下的破坏模式或为剪切破坏，或为剪弯破坏，很难避免出现剪切斜裂缝，尤其H/hw≤l或剪跨比小于l的墙肢，称为矮墙，其破坏均为剪切破坏，类似短柱。

3、框架-剪力墙中连梁设计

框架-剪力墙结构中框架与剪力墙、剪力墙与剪力墙的连接方式有铰结与刚结两种。铰结为通过楼板连接来保证剪力墙与框架协同工作，刚结为通过连梁连接来保证剪力墙与框架协同工作。在铰结体系中，由于没有考虑连梁的约束作用，使得楼板作用显著，要保证剪力墙与框架协同变形和工作，楼板必须绝对刚性。在刚结体系中，连梁对墙和柱都会产生约束，连梁将承担着较大的剪力和弯矩，约束作用明显，并可以与楼板一同作为连接构件，传递弯矩、剪力、轴力。当结构遭受小于其设防烈度的多遇地震时，整个结构处于弹性工作阶段。当遭受高于其设防烈度的罕遇地震时，连梁形成塑性铰消耗地震能量，结构刚度降低，自振周期加大，地震力降低，减轻结构破坏。但由于连梁跨高比小，两端连接的墙或柱刚度差异较大，连梁变形产生较大的内力而破坏。连梁破坏有脆性的剪切破坏和延性的弯曲破坏，设计时应尽量避免连梁发生剪切破坏，让连梁先屈服，形成塑性铰。

四、合理分析计算结果

1、合理分析，正确简化计算程序要求的计算

用TBSA程序计算时，首先将钢塔转换成为等刚度、等质量的薄壁筒体与下面结构整体计算，然后，再按得到的内力另外进行钢塔的设计，框架剪力墙结构中，剪力墙不落地时，形成框肢剪力墙结构，用TBSA程序分析，先将计算洞口划分为平面剪力墙或较简单的L形和I形剪力墙，转换层设托梁支承，用无柱连接点与上层剪力墙连接，当每片墙的支承柱数为3根或更多时，转换梁的刚度要取得很大的高度，这种简化便于整体分析，但转换层和上下相邻层的内力和配筋运用另外的计算程序进行设计。钢管混凝土、型钢混凝土构件有按刚度相等的条件转换成圆形或矩形截面的混凝土构件进行整体计算，求得内力后再按有关规定对构件进行承载力设计。

2、分析计算机输出结果是否正确

首先从周期、振型和地震力方面判断，非耦连计算地震作用，其第一周期会在常规范围内，框架剪力墙结构T1=(0.08～0.12)NS(NS为层数)；第二周期T2=T1(1/5～1/3)；第三周期约为T3=T1(1/7～1/5)，如果相差太远应考虑调整结构截面尺寸和剪力墙的数量，使周期处于常规的范围内，正确的计算结果振型曲线多为连续光滑的，且第一振型没有零点，第二振型的零点在(0.7～0.8)H高度上，第三振型的零点分别在(0.4～0.5)H和(0.8～0.9)H高度上，如果计算结果有异样，应继续分析查找原因，正常情况，底部总剪力也应在合理范围内，7度Ⅱ类场地底部剪力大约在总重量的1.5%～3%之间，8度Ⅱ类场地大约在总重量的3%～6%之间视为正常。框架剪力墙结构的位移在一般情况下，弯曲型与剪切型之间基本上是反S型，接近于直接参考点的位移曲线，应上、下渐变，不应出现大的突变。

五、结束语

随着我国国民经济不断发展，对高层建筑的需求愈来愈大，且高层建筑体型日趋复杂。各种不同功能的用房综合在一起，组成形态各异、比肩继踵的高层建筑，给结构设计增加了一定的难度。而剪力墙具有比较大的刚度，在结构中通常承受大部分的水平力，成为一种比较有效的抗侧力的结构，在地震区的高层建筑中设置剪力墙或者核心筒可以很好的改善建筑的抗震性能。

参考文献

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