框架―剪力墙结构结构设计

摘要:框架剪力墙结构(框剪结构)，是在框架结构的基础上，增加了剪力墙，提高结构稳定性。与框架结构相比，框剪结构强度更高，可以建造更高层数的建筑。框剪的理论寿命长。框剪结构吸取了框架结构和剪力墙的长处，既能为建筑平面布置提供较大的使用空间，又具有良好的抗侧力性能。框剪结构中的剪力墙可以单独设置，也可以利用电梯井、楼梯间、管道井等墙体。因此，这种结构已被广泛地应用于各类房屋建筑。

关键词:框架剪力墙结构布置

1．框架剪力墙结构及其优点

框架剪力墙结构是框架结构和剪力墙结构两种体系的结合，吸取了各自的长处。众所周知，框架结构的变形是剪切型，上部层间相对变形小，下部层间相对变形大。剪力墙结构的变形为弯曲型，上部层间相对变形大，下部层间相对变形小。对于框架剪力墙结构，由于两种结构协同工作变形协调，形成了弯剪变形，从而减小了结构的层间相对位移比和顶点位移比，使结构的侧向刚度得到了提高。从受力特点看，由于框架剪力墙结构中的剪力墙侧向刚度比框架的侧向刚度大得多，在水平荷载作用下，一般情况下，受力80%以上用剪力墙来承担。因此，使框架结构在水平荷载作用下所分配的楼层剪力，沿高度分布比样均匀，各层梁柱的弯矩比较接近，有利于减小梁柱规格，便于施工。

2. 框架和剪力墙的布置应满足下列要求：

1） 框架剪力墙结构应设计成双向抗侧力体系，主体结构构件之间不宜采用铰接。抗震设计时，两主轴方向均应布置剪力墙。梁与柱或柱与剪力墙的中线宜重合，框架的梁与柱中线之间的偏心距不宜大于柱宽的1/4。

2）框架剪力墙结构中剪力墙的布置一般按照“均匀、对称、分散、周边”的原则布置：

① 剪力墙宜均匀对称地布置在建筑物的周边附近、楼电梯间、平面形状变化及恒载较大的部位；在伸缩缝、沉降缝、防震缝两侧不宜同时设置剪力墙。

② 平面形状凹凸较大时，宜在凸出部分的端部附近布置剪力墙。

③ 剪力墙布置时，如因建筑使用需要，纵向或横向一个方向无法设置剪力墙时，该方向可采用壁式框架或支撑等抗侧力构件，但是，两方向在水平力作用下的位移值应接近。壁式框架的抗震等级应按剪力墙的抗震等级考虑。

④ 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，单肢墙或多肢墙的墙肢长度不宜大于8 m。每段剪力墙底部承担水平力产生的剪力不宜超过结构底部总剪力的40%。

⑤ 纵向剪力墙宜布置在结构单元的中间区段内。房屋纵向长度较长时，不宜集中在两端布置纵向剪力墙，否则在平面中适当部位应设置施工后浇带以减少混凝土硬化过程中的收缩应力影响，同时应加强屋面保温以减少温度变化产生的影响。

⑥ 楼梯间、竖井等造成连续楼层开洞时，宜在洞边设置剪力墙，且尽量与靠近的抗侧力结构结合，不宜孤立地布置在单片抗侧力结构或柱网以外的中间部分。

⑦ 剪力墙间距不宜过大，应满足楼盖平面刚度的要求，否则应考虑楼盖平面变形的影响。

3）框架剪力墙结构中的剪力墙，宜设计成周边有梁柱(或暗梁柱)的带边框剪力墙。纵横向相邻剪力墙宜连接在一起形成L形、T形及口形等，以增大剪力墙的刚度和抗扭能力。

4） 剪力墙宜贯通建筑物全高，沿高度墙的厚度宜逐渐减薄，避免刚度突变。当剪力墙不能全部贯通时，相邻楼层刚度的减弱不宜大于30%，在刚度突变的楼层板应按转换层楼板的要求加强构造措施。

3. 剪力墙的布置要点

1)剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向或多向布置，不同方向的剪力墙宜分别联结在一起，应尽量拉通、对直，以具有较好的空间工作性能；抗震设计时，应避免仅单向有墙的结构布置形式，宜使两个方向侧向刚度接近，两个方向的自振周期宜相近。剪力墙平面布置应尽可能做到规则，避免过大的扭转效应。

2)剪力墙的侧向刚度及承载力均较大，为充分利用剪力墙的能力，减轻结构自重，增大结构的可利用空间，剪力墙不宜布置得太密，使结构具有适宜的侧向刚度；若侧向刚度过大，不仅加大自重，还会使地震力增大，对结构受力不利。

3)剪力墙宜自下到上连续布置，避免刚度突变；允许沿高度改变墙厚和混凝土强度等级，或减少部分墙肢，使侧向刚度沿高度逐渐减小。剪力墙沿高度不连续，将造成结构沿高度刚度突变，对结构抗震不利。

4)细高的剪力墙（高宽比大于2）容易设计成弯曲破坏的延性剪力墙，从而可避免发生脆性的剪切破坏。因此，当剪力墙的长度很长时，为了满足每个墙段高宽比大于2的要求，可通过开设洞口将长墙分成长度较小、较均匀的若干独立墙段，每个独立墙段可以是整截面墙，也可以是联肢墙，墙段之间宜采用弱连梁连接（如楼板或跨高比大于6的连梁），因弱连梁对墙肢内力的影响可以忽略，则可近似认为分成了若干独立墙段。此外，当墙段长度较小时，受弯产生的裂缝宽度较小，而且墙体的配筋又能充分地发挥作用，因此墙段的长度不宜大于8m。

5)剪力墙洞口的布置，会极大地影响剪力墙的力学性能。为此规定剪力墙的门窗洞口宜上下对齐，成列布置，能形成明确的墙肢和连梁，应力分布比较规则，又与当前普遍应用的计算简图较为符合，设计结果安全可靠。

4.设计框架剪力墙结构房屋应注意的三个问题

1）框架-剪力墙结构中柱、墙总的刚度比大小决定了对框架受力的考虑。当框架结构中仅在楼电梯间或其他部位布置少量钢筋混凝土剪力墙时，结构分析应考虑该剪力墙与框架的协同工作，此时应采取措施减小此种剪力墙的作用，增加与剪力墙相连柱的配筋，这些措施包括将此种剪力墙减薄、开竖缝、开结构洞、配置少量单排钢筋等。此时结构形式按框架结构确定，按框架结构体系的要求进行结构设计。

2）当剪力墙布置较少刚度偏小时，在基本振型地震作用下，其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%，框架是主要的抗侧力构件，必须保证其各方面的承载能力。规范规程要求其框架部分的抗震等级按框架结构确定；柱轴压比限值宜按框架结构的规定采用；最大适用高度和高宽比限值可比框架结构适当放松，放松的幅度可视剪力墙的数量及剪力墙承受的地震倾覆力矩来确定。当框架剪力墙结构布置足够的剪力墙时，即在基本振型地震作用下，框架承受的地震倾覆力矩小于结构总地震倾覆力矩的50%时，其框架部分则属于“次要抗侧力构件”，框架部分的抗震等级按框架剪力墙结构的规定来划分。

3）当剪力墙布置较多刚度过大而使框架受力过小时，需把框架部分予以加强。《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002规定“任一层框架部分的地震剪力不应小于结构底部总地震剪力的20%和结构整体分析中框架部分各楼层地震力最大值的1.5倍二者较小值”。此时框架是第二道抗震防线，为了不使框架部分过早出现塑性铰，必须给予它一定的抗震能力。

框架剪力墙结构与框架结构相比，由于抗侧能力大大提高，刚度增加，地震力作用下侧移小，是抗震性能较好的结构体系。虽然地震力主要由剪力墙承担，但设计要求框架承担一定比例的地震力，是抗震的第二道防线。总之，该种结构具有使用灵活、刚度大、抗震性能好的特点，因此得到了广泛的应用。

5. 如何解决与剪力墙相连的框架梁超筋现象

应首先分析产生本问题的原因，去掉地震力计算，如不再出现这个问题，那就是地震力产生的，可以保证正常使用状态下的梁配筋，按不计算地震力计算结果配筋，然后计算地震力时点铰，将地震力效应转移；如不计算地震力时结果仍然超筋，那就不是地震效应，而是程序计算产生的问题；这个恐怕是PKPM程序的弊病，而产生这个结果的原因就是框架柱竖向刚度小，竖向变形大，而剪力墙竖向刚度大，竖向变形小，梁配筋就是剪力墙端负筋超大，框架柱端正筋较大；解决这个问题只有加大梁截面，满足计算结果；或者是增加柱截面减小柱竖向变形。

6. 结论

实际上，历次大地震都说明，框架结构震害比较大，设置剪力墙的结构震害较小。事实说明结构变形较小，震害就较小，也就是说刚度大些对抗震有利。当然不能得出刚度越大越好的结论。此外结构振动和变形的大小不仅与结构刚度有关，还与场地土有关，当结构自振周期与场地土的卓越周期接近时，建筑物的地震反应会加大，无论是振动变形还是地震力都会加大，因此，结构刚度的选择还应考虑场地土的情况。

在进行工程结构设计时，正确的作法应该是做到结构刚柔相济，既保证结构在风和地震作用下不致产生过大的变形，又做到结构设计经济实用。刚是立足之本，必要的刚度不能少，如此方能使结构或结构构件的变形控制在一定范围之内；柔是护身之法，结构或构件的刚度总会是有限的，要以柔克刚，提高消化和转换内力的能力，刚柔相济是一种理想的“模糊概念”。刚柔相济是使结构具备合适的刚度，既要保证变形在容许范围内，有要经济合理。刚柔相济是结构设计的要求，也必然是结构设计师永远的追求。