浅议框架剪力-墙结构设计的几个要点

摘要: 分析了框架结构、剪力、墙结构和框架-剪力墙结构的受力特征。分析在建筑设计中如何合理的布置剪力墙。

关键词: 高层建筑; 框架 - 剪力 墙结构; 抗力特性; 设计要点

Abstract: This paper analyzes the stress characteristics of frame structure, shear, wall structure and frame - shear wall structure. Analysis on how to reasonable arrangement of shear walls in architectural design.

Key words: high-rise building; frame - shear wall structure; resistance characteristics; design points

中图分类号：TU318

引言:

框架-剪力墙结构也称框剪结构，这种结构是框架结构中布置一定数量的剪力墙，这种剪力墙称为框架-剪力墙，由它们构成灵活自由的使用空间，满足不同建筑功能的要求，同时又有相当大的刚度。框架-剪力墙结构是由框架和剪力墙结构两种不同的抗侧力结构组成的新的受力形式，所以它的框架不同于纯框架结构中的框架，剪力墙在框剪结构中也不同于剪力墙结构中的剪力墙。这种结构在小高层住宅中采用较多。

1 框架 - 剪力墙抗力特性

1. 1 框架和剪力墙的受力特征

高层建筑框架结构的形变, 呈现出来的往往是剪切型的特征, 位移越高其变化越慢, 曲线形式为开口型, 即形变曲线为剪切型。纯框架结构的建筑中期形变曲线都是类似的。所以, 水平的受力会按照各个框架的抗推刚度 D 比例分配。而剪力墙的位移曲线所呈现的是悬臂弯曲梁的特征, 位移越高其增大的速度越快, 呈现 出来的是弯形 开口的曲线。在平面范围内具备很大的抗弯曲强度, 在普通的剪力墙结构中, 所有抗侧力的建筑构件受力侧移的曲线均相似, 即水平的力在各个剪力墙之间按照等效的刚度 EI 来分配。

1. 2 框架 - 剪力墙的受力特征

在框架 - 剪力墙建筑结构中, 通过平面内无限大刚度的楼盖将框架和剪力墙连接在一起, 使其形成了一个网络结构, 共同抵抗水平向的侧应力, 不会单独受到各种弯曲变形或者剪切变形的影响, 框架-剪力墙在同一个楼层的位移是基本相同的。因此,框架 - 剪力墙结构在水平面内的位移呈现出来的特征是介于框架与剪力墙之间的形态, 为反 S 型的曲墙在下部的层面形变较小, 承担了 80% 以上的水平向剪力, 而在高层 建筑的上部, 框架结构的 形变较小, 可以协助剪力墙进行作用, 抵抗剪力墙的外拉式的形变, 从而承受更大的水平剪切力。可见, 框架 -剪力墙结构实际上就是综合了框架和剪力墙这两种结构的优势, 有效地协调了水平的形变, 从而达到减小结构性形变的效果, 增强了结构的侧向刚度, 提高了建筑的抗震能力, 在高层建筑的结构设计中适用性较好。

2 框架—剪力墙中剪力墙布置的原则

2.1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。

2.1.1 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。

2.1.2 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。

2.1.3 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。

2.1.4 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 8m。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%。

2.1.5 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。

2.1.6 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。

2.1.7 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。

2.1.8 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。

2.2 在长矩形平面或平面有一项较长的建筑中，其剪力墙的布置宜符合下列要求：

1）当这些剪力墙之间的楼盖有较大开洞时，剪力墙的间距应予减小；

2）纵向剪力墙不宜集中布置在两尽端；

3）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、框架—剪力墙结构剪力墙数量的确定

3.1 现行规范对框架—剪力墙结构中剪力墙数量的要求。按照规范要求，在一个

独立的结构单元内，剪力墙的设置数量应符合下列要求：

1）为能充分发挥框架—剪力墙体系的结构特性，剪力墙在结构底部所承担的地

震倾覆力矩值应不少于总地震倾覆力矩值的 50%；

2）侧向刚度沿竖向分布基本均匀的框架－抗震墙结构，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%和按框架—抗震墙结构分析的框架部分各楼层地震剪力中最大值的 1.5 倍二者中的较小值。当框架的剪力分配比例达不到该值时，应当按要求的比例调整框架内力，增加框架柱数量或增大柱截面刚度；

3）沿结构单元的两个主轴方向，按《抗震规范》地震力计算出结构弹性阶段层间位移角，应不大于 1/800；4）剪力墙布置不宜过分集中，每道剪力墙承受的水平力不宜超过总水平力 40%。

3.2 影响抗震墙数量的因素。

3.2.1 抗震设防烈度。设防烈度每增高一度，地震影响系数最大值将加大一倍，似乎抗震墙的数量也应增大一倍。然而，随着抗震墙数量的增多，结构抗侧刚度增大，房屋自振周期减短，地震作用将进一步增大。所以，烈度每增高一度，抗震墙所需要增加的数量比一倍还多。

3.2.2 震中距。地震研究结果表明，相同地震烈度时，近震地震影响系数小，水平地震作用小，抗震墙所需数量少；远震地震影响系数大，水平地震作用大，抗震墙所需数量将有较大幅度的增长。

3.2.3 场地类别。即使是同一次地震，场地条件不同时，地面运动特性也有很大差别，建筑物所受到的地震作用也就有大有小。一般而言，薄覆盖土层和坚硬场地土上的高楼，地震反应小，厚覆盖土层和软弱场地土上的高楼，地震反应大，抗震墙数量也要增加很多。

3.3 框架—剪力墙结构中剪力墙数量的其它限制条件。剪力墙的平面布置除应满足位移限制条件外，还须满足如下条件和要求：

3.3.1 几何约束条件。

1）剪力墙受剪截面要求；

2）一、二级框架梁柱节点受剪承载力要求；

3）柱轴压比限值；

4）框架梁承受最大弯矩。

3.3.2 构造要求。

（1）刚重比要求。在水平地震作用下，高层钢筋混凝土框架—剪力墙结构的变形形态剪弯型随着结构抗侧刚度的降低，重力荷载二阶效应重力（P – 效应）的不利影响呈非线性增长，从而引起结构的失稳倒塌，而结构的抗侧刚度与重力荷载之比（刚重比）是影响重力 P – 效应的主要参数，刚重比限值与层间位移限值对于控制结构抗侧刚度都是非常必要的；

（2）剪重比和结构自振周期要求。由于地震影响系数在长周期段下降较快，基本自振周期较大的结构（如对于基本周期大于 5s的结构）在水平地震作用下计算所得的效应可能偏小。为保证高层框剪结构的安全性，在计算水平地震作用时，结构各楼层的水平地震剪力标准值与其上部各楼层重力荷载代表值的比值（剪重比）应满足最小要求，使水平地震作用的计算不致过小；3）框架楼层剪力要求。在水平地震作用下，框架—剪力墙结构的框架楼层剪力随刚度特征值值的减小而减小。因此，各层框架总剪力应满足最低限值要求。

4 结语

现如今，框架 - 剪力墙结构之所以在建筑中得到了广泛应用, 就是因为其结构的互补性。合理的设计既经济，又可以突出框架和剪力墙的结构优势, 提高建筑的抗震能力, 而设计的关键则是剪力墙数量和形式的使用。因此, 在实际的设计中, 应遵循结构均匀、承载分散、把握节点等原则, 来确定框架和剪力墙的使用比例和形式, 以此来保证框剪结构在高层建筑抗震中起到应有的作用。

参考文献:

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