框架剪力墙结构设计

摘要：本文从框架—剪力墙结构特点入手，介绍了框剪结构的受力特性，剪力墙抗侧移刚度以及数量的改进，及框剪结构的连梁的设计问题。

关键词：高层建筑；框架—剪力墙；结构设计；连梁；抗震措施

Abstract: This paper starting from the frame - shear wall structural characteristics, the force characteristics of the frame structure, the shear wall lateral stiffness and the number of improvements, and frame structure of the coupling beam design problem.Key words: high-rise building; frame - shear wall; structural design; coupling beam; earthquake measures

中图分类号：TB482.2 文献标识码：A

框架一剪力墙结构由框架和剪力墙两种不同的抗侧力结构组成，由于剪力墙的抗侧刚度比框架的抗侧刚度大得多。故它们的协同作用既可以提供整体结构较大的抗侧力，也利用了框架结构可以提供较大空间的优越性。因此这种结构体系整体性好、刚度大、侧向变形小、抗震性能好，易于满足高层结构中现行国家规范限定值要求，而得到广泛应用。

1 框剪结构的特点

框架一剪力墙结构也称作框架一抗震墙结构，简称框剪结构；这种结构型式是在框架结构中布置一定数量的剪力墙，使得房间布置比较灵活自由，可以满足多种建筑功能的要求，构成灵活自由的使用空间，尤其是在公共建筑中，深受广大设计人员的喜爱。

框剪结构是由框架和剪力墙两种不同的抗侧力结构组成，这两种结构的受力特点和变形性质是不同的。在水平力作用下，框架变形曲线为剪切型，楼层越高，水平位移增长越慢，在纯框架结构中，各榀框架的变形曲线类似，楼层剪力按框架柱的抗侧刚度D值比例进行分配；而剪力墙在水平力的作用下，其变形曲线呈弯曲型，剪力墙是竖向悬臂弯曲结构，楼层越高水平位移增长越快，顶点水平位移与高度是四次方关系：

均布荷载时：u=qH4/8EI；

倒三角形荷载时：u=11qmaxH4/120EI。

（2）框剪结构，要使框架与剪力墙协同工作，框架与剪力墙的合理布置就显得尤为重要；剪力墙的布置宜分布均匀，单片墙的刚度宜接近，长度较长的剪力墙宜设置洞口和连梁形成双肢墙或多肢墙，框架部分承受的地震倾覆力矩不大于结构总地震倾覆力矩的10％时，按剪力墙结构设计，其中的框架部分应按框架一剪力墙结构的框架进行设计；当框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的10％但不大于50％时，应按框架一剪力墙结构进行设计；当框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50％但不大于80％时，按框架一剪力墙结构进行设计,其最大适用高度可比框架结构适当增加，框架部分的抗震等级和轴压比限值宜按框架结构的规定采用；当框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的80％时，按框架一剪力墙结构进行设计，其最大适用高度可比框架结构采用，框架部分的抗震等级和轴压比限值宜按框架结构的规定采用。其中对于这种少墙框剪结构，由于抗震性能较差，不主张采用，以避免剪力墙受力过大、过早破坏。

2 受力特性分析

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，框一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。

工程实践表明：

（1）λ过小，结构变形曲线呈弯剪型，即剪力墙用量过多，此时，结构刚度增大，自振周期缩短，地震力相应增加，结构延性降低，尤其对框架顶部几层极为不利。一般说来，剪力墙数量增多对抗震有利，但超过必要限度也是不合理和不经济的，为了使框架充分发挥作用，剪力墙刚度不宜过大。

（2）λ过大，结构变形曲线呈剪弯型，即剪力墙用量过少，结构刚度较差，常不满足变形要求，同时，框架受力过大，梁柱截面尺寸加大，导致不经济，因此，剪力墙刚度不能过小。

3 框架一剪力墙中剪力墙的合理配置

国内外对众多框架一剪力墙结构遭受到地震后展开凋查，对其震害进行统计分析后得到一系列的经验数据。日本采用平均压应力一墙面积表示法来分析，其中平均压应力σ=G/(Ac+Aw)，G为楼层重量，Ac，Aw分别为框架柱及剪力墙的面积。国内根据已建的大量框架一剪力墙结构，提出底层结构截面面积Ac+Aw与楼面面积Af之比及Aw与楼面面积Af之比(见表1)，供设计参考。

表1 墙、柱面积与楼层面积百分比

4 剪力墙抗侧移刚度以及数量的改进

框架剪力墙结构中，剪力墙的抗侧移刚度往往比框架要大的多，因此剪力墙抗侧移能力的大小往往决定了整个结构的稳定。在设计中，除了要考虑结构强度外，还要考虑结构的整体刚度。因此在开始设计时，合理的选择剪力墙的数量，无论对于后期设计还是结构的合理性，都是必不可少的。

地震作用是房屋破坏的主要原因之一，对于一些高层建筑来说就不得不考虑用剪力墙结构。因此需要设计人员设计出剪力墙的合理数量。剪力墙数量过多固然结构抗侧移刚度越大，抗地震作用也就相对的较强一些。但是，当结构刚度过大时，由于周期过短，地震作用反而有可能会更加强烈，而且浪费了一定的材料。因此只从抗震方面来看，剪力墙并不是越多越好，选取合理的剪力墙数量才能达到结构稳定的优化。在地震作用中一直存在着刚性与柔性的说法，如表2。

5 剪力墙连梁的设计

框架一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。连梁设计时可以考虑以下措施：

(1) 对连梁的刚度进行折减，既保证了塑性铰出现在连梁上，又减少其内力，满足结构设计要求。高层建筑混凝土结构技术规程5.2.1规定，在内力与位移计算中，抗震设计的框架一剪力墙或剪力墙结构中的连梁可予以折减，折减系数不宜小于0.5。结构设计中，设防烈度6、7时连梁折减系数一般取0.7，8、9度时连梁折减系数一般取0.5。

(2) 若连梁刚度折减后内力还是过大，截面设计困难，可在连梁截面高度的中间开设水平通缝。

(3) 为保证连梁的延性，设计时应做到“强墙(柱)弱梁”，“强剪弱弯”，截面尺寸应符合规范设计要求。

(4) 不宜将楼面主梁支承在连梁上。

6 结语

在框架-剪力墙结构的设计过程中，应避免采用平面、竖向或者空间不规则的结构形式，遵照“建筑设计应符合抗震概念设计，不应采用严重不规则的设计方案”的原则；通过对结构的合理布置和精确计算，能够使我们的建筑更加经济合理，有效地抵抗外部力量的破坏，以达到我们所要求的设计功能。

参考文献：

[1]黄本才．高层建筑结构力学分析[M]．北京：中围建筑工业出版社，1990．

[2]包世华，方鄂华．高层建筑结构设计(第2版)[M]．北京：清华大学出版社。1990．

[3]梁启智．高层建筑结构分析与计算[M]．广州：华南理工大学出版社，1992．

[4]GB 50011- 2001 建筑结构抗震设计规范[S].

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