关于建筑框架剪力墙结构设计探讨

摘要：搞好框架-剪力墙结构设计，将直接影响到建设物的安全使用与技术经济指标的高低，本文结合工程实例对框架剪力墙结构设计一些问题进行探讨。

关键词：框架剪力墙；合理配置；轴压比；连梁

现代高层建筑正向着多功能、综合用途的方向发展，在高层建筑的结构设计时，需要考虑的受力结构形式也较多，其竖向传力体系是设计的关键。建筑的空间形态是由结构传力体系支撑的，传力体系的剖面形式直接反映结构竖直荷载传递的路径，也关系到建筑物的使用功能。不同建筑结构其传力体系也是不一样的，因此在结构设计时也应考虑诸多细节以及采用正确的计算方法，使建筑物传力体系清晰，并满足抗震设计规范要求。

1框架剪力墙结构设计关注点

1.1合理配置

剪力墙的平面布置一般原则是均匀、分散、对称、周边。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地被破坏,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,平面形状变化处;角隅、端角、凹角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,在高层建筑的楼梯间,电梯间,管道井处,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,在工程设计中用钢筋混凝土剪力墙来加强这些薄弱端部,如楼梯间,电梯井道处,竖向管道井等是十分有效的。

剪力墙的间距,对现浇钢筋混凝土楼盖L/B=2―4为宜,对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,抗震设防烈度愈高取值愈小。

1.2提高轴压比

轴压比主要为控制结构的延性，随着轴压比的增大，结构的延性越来越差，对高层建筑抗震十分不利。我国现行规范均有相应要求。本工程在进行初步设计时，业主提出当地混凝土搅拌站无法保证C40以上混凝土施工质量，混凝土最高强度等级为C40。根据规范，一级框架剪力墙结构框架柱轴压比为0.75，若按框架柱轴压比为0.75设计，框架柱的截面面积很大，影响建筑平面布局。故框架柱采取规范提出的构造措施提高柱轴压比限值至0.90设计。底部加强区剪力墙厚度为350mm，混凝土强度等级为C40，能够满足设计要求。但在其他的一些高层建筑结构的底部几层，由于混凝土强度等级低，为使剪力墙轴压比不超过规范规定的限值，会出现剪力墙厚度很大的不合理情况。

规范现仅按结构抗震等级和设防烈度给出了混凝土剪力墙的轴压比限值，没有考虑通过采取构造措施提高其轴压比限值。国内人员研究表明，即使高宽比为1.0的低剪力墙，同样可具有良好的延性性能。研究剪力墙约束边缘构件配箍率、位移延性比、剪力墙高宽比等因素对剪力墙轴压比限值的影响，并给出满足具体延性需求、对应不同约束边缘构件配箍特征值的剪力墙轴压比限值，供工程设计参考。

1.3框架剪力墙中连梁设计

钢筋混凝土框架一剪力墙结构,在强烈地震作用下能有效地通过反复的非弹性变形耗散地震能量,是一种较好的抗震结构体系。对于与框架一剪力墙平行的框架梁,即纵向梁构件采用带非线性转动弹簧的线弹性弹簧梁单元模拟。对于柱单元则假定其只发生非弹性弯曲变性而不发生非弹性轴向变形。对于框架一剪力墙结构中的横向梁两端承受着不同的竖向位移,并且由于节点的转动和两节点转动量的不同,横向梁还承受扭转。因此可采用竖向和转动弹性弹簧来模拟这种效应。模型中指定相对转动中心位于墙构件中心轴上高度点处,认为参数的合适值可基于沿层间高度预期的曲率分布选取

一般多竖向单元模型考虑了墙截面中性轴的移动,可预测墙的弯曲反应,是一种适合于多层钢筋混凝土框架一剪力墙结构的非线性分析的拟三维模型。

2工程实例

2.1工程概况

某项目总建筑面积20041m2。其中，地上部分建筑面积18880m2，共16层，带5层裙房和一层设备转换层，建筑高度68.8m，地下部分建筑面积1161m2，共1层。结构体系为框架剪力墙结构，抗震设防烈度7°，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震为第一组，II类场地，设计特征周期为0.4s，风荷载按100年一遇风压取值为0.45kN/m2，雪压取值为0.35kN/m2。

2.2剪力墙平面布置

剪力墙的平面布置遵循均匀、分散、对称、周边原则。每片剪力墙刚度不要太大，连续尺寸不要太长，每一片墙肢的弯曲刚度适中，不会因为个别墙肢的局部破坏而影响整体的抗侧力性能。刚度愈大的墙肢吸收的荷载也愈大，所以考虑墙肢开洞来减轻墙肢的刚度集中问题。剪力墙布置在平面形状变化处，如角隅、端角，因为凹凸角部位是应力集中处，宜设置剪力墙加强。同时电梯间、楼梯间楼面开洞严重地削弱楼板刚度，所以不能保证框架与剪力墙协同工作，需要设置剪力墙来加强。在楼梯及电梯间布置均匀、对称的剪力墙，同时为了保证结构抵抗扭转能力，使刚度中心与平面中心相吻合，在结构周边对称位置布置剪力墙，提高抗扭转能力。但平面图1中3轴与A轴处建筑平面布置不允许布置剪力墙，故在4轴与A轴处布置剪力墙。同时为防止墙肢刚度过大而吸收大量的地震力而破坏，在较长的剪力墙中开设洞口，将其分成长度较为均匀的若干墙段，墙肢之间采用连梁连接，使每片剪力墙的弯曲刚度适中，不会出现个别墙的受力太集中而引起破坏。本设计中，主楼楼层面积Af为1050m2，剪力墙面积AW为18.50m2，框架柱面积AC为14m2，AW/Af=1.76%，(AC+AW)/Af=3.09%。

设计中对扭转效应的控制采取了一些措施:①由于主楼标准层凸出部分大于平面总宽度的30%，故将该凸出部位板厚加厚至150mm，并在计算时设为弹性楼板；②设备层层高低，其刚度虽大于相邻上部楼层侧向刚度的70%，但刚度相对其相邻层还是比较薄弱，故将设备层及其相邻的上下层强制设为薄弱层，加强该处的竖向构件；③采取措施使各楼层的刚心、质心的偏心距控制在0.15以内，主楼与裙房屋面的质心、刚心偏心距小于建筑相应边长的20%；④在裙房的一侧合理布置剪力墙；⑤对框架柱倾覆弯矩及楼层框架总剪力进行调整，主楼的底部总剪力为裙房屋面的总剪力。模型经过调整，对计算结果进行分析判断，确认后作为工程设计依据。结构计算结果如表1所示。

3结束语

案例中工程的计算结果是可信的，合理的，结构方案是安全可靠的。通过底层结构剪力墙与框架柱面积与楼层面积之比初步确定剪力墙数量，然后通过计算判断剪力墙设置的合理性。轴压比为控制结构延性，剪力墙轴压比限值可以根据剪力墙延性需求、约束区箍筋配筋特征值及剪力墙高宽比等因素确定。设计时，若连梁内力过大，可以通过连梁刚度折减和设置水平通缝进行设计。

注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看