关于框架—剪力墙结构设计的论述

关于框架—剪力墙结构设计的论述

陆裕徐恒

陆裕徐恒汉嘉设计集团有限责任公司杭州310000

摘要：根据框架一剪力墙结构的变形及受力特点，结合结构抗震概念设计，通过研究剪力墙数量、位置和布置原则的不同对整个结构的影响，经过计算从而做出经济合理的设计。

关键词：框架一剪力墙；结构布置原则；倾覆力矩

一、概述

随着经济的发展，从节约用地方面的优势考虑，高层建筑成为城市的首选。高层建筑结构体系主要主要包括以下四大体系：框架结构体系、剪力墙结构体系、框架一剪力墙结构体系和简体结构体系。其中框架结构建筑布置灵活，空间可自由分隔，缺点是在水平力作用下侧向变形较大，高度受到限制。剪力墙结构建筑的侧刚度较大，在水平力作用下侧向变形较小，但由于剪力墙间距要求使得建筑平面布置不够灵活，而且由于结构自重较大，地震作用影响也较大。框架一剪力墙结构是框架结构和剪力墙结构两种体系的有机结合，既能为建筑使用提供较大的平面空间，又具有较大的抗侧力刚度。因此，框架～剪力墙结构已被广泛地应用于各类房屋建筑。

二、框架一剪力墙结构的受力特点和变形

框架结构和剪力墙结构是两种不同的抗侧力结构，这两种结构的受力特点和变形性质是不同的，而框架一剪力墙结构的受力特点和变形则是框架和剪力墙结构的有机组合。

1．框架剪力墙结构受力特点。对于框架一剪力墙结构，由于剪力墙的侧移刚度远大于框架，因此剪力墙分配到的剪力也将远大于框架，因此水平地震力主要由剪力墙来承担，框架起二道防线作用，两者通过水平刚度无限大的楼板协同工作。由于上述变形的协调作用，框架和剪力墙的荷载和剪力分布沿高度在不断调整，主要由结构刚度特征值决定。框架一剪力墙结构中的框架底部剪力很小几乎为零，而剪力控制部位在房屋的中部甚至上部，而纯框架最大剪力在底部。因此必须认识此特点，不应简单按纯框架分析，否则不能保证结构安全。

2．框架一剪力墙结构变形特点。剪力墙结构中剪力墙如同竖向悬臂梁，在水平力作用下，其变形呈弯曲型，而且楼层越高水平位移增长速度越快。框架结构的变形呈剪切型，底部变形较大，上部层问相对变形较小。对于框架一剪力墙结构，框架和剪力墙之间通过楼板连接，由于楼板平面内刚度无限大，使得两者水平位移协调一致，形成了弯剪变形，因此框架一剪力墙结构在水平力作用下的变形呈反s形位移曲线。

三、框架一剪力墙结构布置原则

1．剪力墙数量确定。

剪力墙布置的越多，抗震越有利，但无限制的增加剪力墙会增加造价，且无法发挥框剪结构的优越性。另外，增加剪力墙以后，结构刚度增加，自振周期就会缩短。一般建筑物自振周期应该在Tg～5Tg(Tg为特征周期)之间较为合适，看一下地震影响系数曲线，在这个区段里，周期缩短会增大地震作用效应，而且幅度挺大，对材料的消耗又会大大增加。合理的剪力墙的数量从理论上最少的剪力墙数量最优。在李国盛《混凝土结构设计禁忌及实例》一书中认为：满足规范的位移限制要求，满足剪力墙承受的地震倾覆力矩不小于总倾覆力矩的50%，且为了使框架充分发挥作用，满足框架承受楼层剪力不小于0.2V0和1.5Vf，max二者较小值，这时的剪力墙数量最合理。现有一经验方法介绍如下：

底层结构截面面积Aw+Ac与楼面面积Af之比，以及Aw/Af之比值大约在下表范围内

2．剪力墙布置位置确定。

首先在方案阶段，,从概念上来布置剪力墙。《高层建筑混凝土结构技术规程))JGJ3—2010版第8.1.7条就是框剪结构中剪力墙布置的一些概念性要求。从实际经验说，笔者认为布置剪力墙的步骤是：首先考虑建筑物的周边，可以从四角到四边均匀布置，然后考虑楼电梯间，再考虑一些平面转角处，最后看看剪力墙间距较大的位置中间点缀一两片墙。剪力墙最好布置成非一字形，两个方向都要布，宜短不宜长，笔者认为在开始布置时只要满足一般剪力墙的最小长度即可，后面可以根据计算要求加长，框剪结构中的剪力墙布置应该是有目的的和点缀性的，应该说按照这种要求布置出来的平面看起来是很舒服的。

3．剪力墙布置要求。

剪力墙平面布置应当遵循均匀、分散、对称、周边的布置原则。均匀、分散布置是指剪力墙布置不能过于集中，否则由于局部刚度过大而造成扭转不利。剪力墙越长刚度越大，刚度越大则吸收的地震力也就越大，因此应当通过开洞将剪力墙分成多肢墙，均匀承担地震力。建筑物周边布置剪力墙对于抵抗扭转刚度最为有效，因此规范提倡周边布置的原则。抗震设计时，结构两个方向侧向刚度宜接近，可以避免扭转，因此应尽量对称布置剪力墙。另外剪力墙应布置在应力易集中的部位，比如形状凹凸较大时，宜在凸出部分端部布置剪力墙；比如平面形状变化及恒载较大部位剪力墙间距不要过大等。

剪力墙竖向布置宜贯通建筑物全高，不能随意中断，避免刚度突变。在实际工程当中由于使用功能需要往往在底部有部分剪力墙不能落地形成了高位转换结构，对这类结构规范有严格的限制要求，比如落地剪力墙的数量必须满足一定的要求。另外剪力墙洞口宜上下对齐，有些建筑局部几层开有洞口那么我们在其他楼层相应位置开设结构洞，这样就保证了剪力墙竖向刚度突变，对于开洞位置洞口两侧应按规范设置边缘构件，采取加强措施，满足使用功能要求。

四、框架一剪力墙结构布置合理性检验

结构布置是否合理需要上机验算，首先不需要去看配筋，可以先看周期，合理的第一周期范围，《全国民用建筑工程设计技术措施》上讲在0.08～0.12N(N为层数)，超出这个范围，说明结构太刚或太柔，剪力墙太多或太少，可以作相应的调整，当然在这个范围内以周期长一点为佳。第一、第二周期一般应该分别是x向和Y向(假定x向为长方向)的平动周期(平动系数为1.0最佳)。第三周期为扭转周期，它和第一平动周期的比值应该不大于0.9，否则说明扭转刚度不足。再看剪重比是否满足规范要求，不满足也说明抗侧力刚度不足，地震力偏小。层数较多的建筑物允许有2～3层按规范要求调整地震力(调整差值控制在5以内)，超过这个就要求调整抗侧力构件。

再看位移，层间位移角应不大于l/800，这也是衡量结构抗侧刚度的一个指标，太大太小都应该先找出这个位置，再作相应调整。不考虑偶然偏心时的位移比一般应该都在1.2以内，考虑偶然偏心时，1.2的限值比较难满足(尤其是长条形的建筑)，只要不大于1.4即可，这是衡量扭转刚度的一个指标(前面讲周期比是衡量扭转刚度的另一个指标)，不满足时应该先考虑建筑物周边抗侧力构件的调整(对于长条形建筑就是长方向两侧)，可以增大剪力墙，也可以加高连梁等。

最后看框架抗倾覆力矩占总抗倾覆力矩的比例，两个方向接近且在40～50间较好。注意，软件给出了每一层的比例，只要底部加强部位满足即可，根据框架一剪力墙结构的受力特性，框架所承担的抗倾覆力矩是越往上越大的。

五、总结

综上所述，框架一剪力墙结构有其独特的优势，根据其变形及受力特点，依据国家相关规范的要求，合理布置布置剪力墙数量和位置，再通过分析试算，当其满足规范中地震周期及位移变形的要求、及抗倾覆力矩承担比例要求等三个方面时，设计的结构是相对安全、经济、合理的。