高层建筑框架剪力墙结构设计应用探讨

高层建筑框架剪力墙结构设计应用探讨

曹真

芜湖鸠源建筑设计有限公司安徽省241000

摘要：由于实际中框架—剪力墙结构的大量应用，使得框架—剪力墙结构设计中的相关问题的解决变得格外重要。本文结合工程实例详细阐述了高层建筑框架剪力墙结构设计应用，以供参考。

关键词：高层建筑框架剪力墙结构设计

前言

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。

一、高层建筑框架-剪力墙受力特点

1、受力特点

框架-剪力墙的受力不同于纯框架中的受力特点，在框剪结构受力过程中剪力墙所承受的剪力比框架所承受的要大得多。框架和剪力墙的负载是不断移动的，所以在计算框架和剪力墙之间的楼层分配比例时要注意，框剪结构中的楼层分配比例与框架各楼层剪力分布情况均是随着楼层的变化而变化的。一般情况下，在框剪结构中，剪力控制部位在房屋高度的中上部，而在纯框架结构中，其最大建立在底部。所以，在该层建筑实际布局中有剪力墙的情况下，设计分析时要按照框剪结构布局来分析，充分考虑框架、剪力墙的多种性能特点。

2、剪力墙的计算方式

在高层建筑的框剪结构中，剪力墙所承受的竖向荷载，一般是通过楼面传递到剪力墙上。竖向荷载在连梁内和墙肢内产生的轴力不同，一般按照剪力墙的受荷面积进行简单计算。在水平力作用下，用二维平面分析剪力墙受力问题，同时运用平面问题求解，结合计算机，利用有限元方法计算。在工程设计中，依据具体情况进行分别设计。

二、工程概况

本工程为商办楼，建筑面积17282㎡。其中地下室面积3766㎡，总高度59.9m。地下室二层(车库及设备层和人防工程)。由主楼和裙房组成，中间不设缝。地上主楼15层(不包括机房层)，框架－剪力墙结构，四层及以上均为办公用房;裙房三层，框架结构，均为商业。本工程设计使用年限50年，结构安全等级为二级，抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.10g，场地类别为IV类，抗震设防分类为标准设防类(丙类)，框架抗震等级为三级，剪力墙抗震等级为二级。地基基础设计时，根据地质报告建议，本工程基础采用桩筏基础，选用预应力高强混凝土管桩，主楼和裙房下管径分别为600和500。主楼下筏板厚为1.3m，裙房下为0.8m，主楼基础与裙房基础采用45度过渡，并在主楼与裙房交接处设置后浇带。

三、模型计算的优化

1、结构平面布置。本工程结构平面布置较为简单，呈矩形分布，主要柱网见平面图1～3图。但平面、立面有收进，裙房商业入口处楼板有大开洞和抽柱，造成部分竖向构件不连续。

2、剪力墙的布置。本工程结构初步设计时，剪力墙均布置在楼、电梯间四周，处于标准层的中部，稍微有点偏置。虽然各项指标都满足规范的要求，但扭转效应较大。框架部分柱的尺寸偏大，且很多细节未做考虑。施工图阶段，对计算模型采取优化，经过多次试算，由于南、北建筑立面外观的要求，因此在东、西向两处对称增设了剪力墙，加强结构外围刚度，提高了结构的整体性和抗扭刚度，减小地震作用下的扭转效应，计算的各项指标均优于初步设计，框架部分柱尺寸也有所减小，更加合理。同时为了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结构洞口，并用砌块后砌，将其分成长度较均匀的若干墙段，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。在框架－剪力墙结构中的剪力墙宜有边缘约束构件，包括边框柱和边框梁。抗震设计时，一、二级剪力墙的底部加强部位的厚度不应小于200mm，且不小于层高的1/16，其它情况不应小于160mm，且不应小于层高的1/20。边框梁的宽度宜与墙同厚，高度可取墙厚的2倍。在实际工程中，合理确定剪力墙的厚度，对墙体稳定性有很大的影响。

3、结构竖向布置。本工程裙房商业入口楼板大开洞，框架柱有抽柱，造成部分竖向构件不连续，对洞口四周的梁、板、柱均采取了加强措施。由于楼板开洞面积大于平面该方向总宽度•30%，计算时设为弹性楼板，增加周边楼板厚度和配筋，梁、柱箍筋全长加密，主筋也构造加强。为使结构的竖向刚度均匀变化，框架柱裙房部分柱截面均为600X600;主楼柱截面5层及以下为800X800，6～9层为700X700，10层以上为600X600;底部加强区为地下室二层至地上3层，剪力墙厚度由400厚逐步减至200厚;混凝土等级由C50逐步降至C40，自下而上刚度逐渐减小。

4、连梁的设计。根据连梁相对刚度(即连梁对剪力墙的约束作用大小)的不同，框架－剪力墙结构内力计算时可分为铰接体系和刚接体系两种，连梁的刚度可以折减，但折减系数不宜小于0.55(计算自振周期时不折减)。连梁的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。结构设计中，连梁折减系数一般取0.7。为保证连梁的延性，设计时应做到“强柱(墙)弱梁”，“强剪弱弯“，截面尺寸应符合规范设计的要求。为避免连梁出现过多的超筋现象，尽量减小连梁的高度，尽可能加大洞口的宽度，不宜将楼面主梁支承在连梁上。

5、主要问题解决的方法。本工程初步设计时，虽各项指标均满足规范的限值，但都很接近限值，仅有微弱的差距。施工图时，对原有模型多次试算调整，远远达到了规范的要求。

（1）作为上部结构嵌固部位的地下室楼层的顶楼盖应采用梁板结构，楼板厚度不宜小于180mm，应采用双层双向配筋，且每层每个方向的配筋率不宜小于0.25%。本项目地下室顶板作为上部结构的嵌固部位，再加上有人防工程，因此楼板厚度为300mm。所有楼板钢筋均采用了CRB550级冷轧带肋钢筋焊接网，双层双向。这种钢筋改性后提高了钢筋的屈服强度，增大了钢筋与混凝土的握裹力，使钢筋与混凝土更好地共同工作，充分发挥作用。在高层建筑中，楼面标准层多，面积大，楼面活荷载不大，使用此钢筋能大大降低成本。

（2）水平力作用下，各层框架部分计算所得剪力一般都较小，为保证作为第二道防线框架具有一定的抗侧力能力，需要对框架承担的剪力予以调整。模型计算时，出屋面的楼梯间也采用了框架－剪力墙结构，因此对局部出屋面小塔楼的剪力调整系数取1.5的放大系数。调整时，所有梁、柱的剪力和弯矩均乘以此系数，轴力可不放大。

（3）初步设计时，结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比很接近0.9。为了使模型更合理化，因此加强了外围框架梁宽度和截面尺寸，并在Y向增设了剪力墙，从地下室二层至屋面，使竖向刚度增大，增强了抗扭刚度，结构弹性层间位移角也满足要求，最终各项指标的计算结果明显得到改善。

（4）框架－剪力墙结构中剪力墙布置形式、厚度、高度和边缘构造等是模型计算关键。为了防止因墙体稳定性较差，平面外刚度过小，从而压屈失稳的现象，对墙体的截面条件、强度和稳定性验算必须保证，使剪力墙的整体性好。

结束语

总之，在进行高层建筑结构设计时,结构平面布置必须考虑有利于抵抗水平和竖向荷载，传力直接，力争均匀对称，减少扭转的影响，结构竖向布置则必须做到结构的承载力和刚度宜自下而上逐渐减小，变化均匀，连续、不要突变。在此前提下，确定结构构件的合理截面尺寸，选择合适的计算软件进行计算分析，这样才能得到一个可靠、合理的计算结果，为设计打下一个良好的基础。

参考文献

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