框剪結(jié)構(gòu)受力特性及剪力墻用量計(jì)算研究

李佳澤++石昌文

摘 要：基于筆者多年從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，研究探討了框-剪結(jié)構(gòu)體系在高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，文章首先從框架、剪力墻的受力特性開始，論述了影響剪力墻用量的因素，而后分析了剪力墻合理用量的確定方法，最后深度探討了豎向荷載作用下框-剪結(jié)構(gòu)的水平作用效應(yīng)問題，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行有著重要的參考價(jià)值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：框架 剪力墻 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 受力

中圖分類號(hào)：TU398 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）04（b）-0013-02

1 框-剪結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用思路

高層建筑是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的產(chǎn)物。城市人口集中，用地緊張以及商業(yè)競爭的激烈化，促進(jìn)了高層建筑的出現(xiàn)和不斷發(fā)展。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，水平荷載是設(shè)計(jì)的主要控制因素之一。分析水平荷載與結(jié)構(gòu)體系的關(guān)系，根據(jù)建筑高度、尺寸和其他條件，選擇經(jīng)濟(jì)而有效的結(jié)構(gòu)類型和結(jié)構(gòu)體系，便成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首要問題。高層建筑的結(jié)構(gòu)體系，主要有框架結(jié)構(gòu)體系，剪力墻結(jié)構(gòu)體系，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系（簡稱框剪結(jié)構(gòu)體系），筒體結(jié)構(gòu)體系和巨型（超級(jí)）結(jié)構(gòu)體系等。這些體系的受力特點(diǎn)、抵抗水平荷載的能力、側(cè)向剛度和抗震性能等都各有不同?？蚣芙Y(jié)構(gòu)側(cè)向剛度差，抵抗水平荷載的能力較差，底部層間位移大容易引起非結(jié)構(gòu)性破壞和次生災(zāi)害，對(duì)抗震不利，但它具有空間大，平面布置靈活，立面處理豐富等優(yōu)點(diǎn)。而剪力墻結(jié)構(gòu)則相反，抗側(cè)力強(qiáng)度和剛度均很大，但平面布置不靈活，不適應(yīng)大空間的要求。而框剪結(jié)構(gòu)卻有框架結(jié)構(gòu)與剪力墻結(jié)構(gòu)兩者的優(yōu)點(diǎn)，把兩種結(jié)構(gòu)體系結(jié)合起來，在同一結(jié)構(gòu)單元中同時(shí)采用框架和剪力墻結(jié)構(gòu)，共同承受豎向和水平荷載，起到了取長補(bǔ)短的作用，因而它廣泛地應(yīng)用于高層辦公建筑，旅館建筑等高層公共建筑中。

從我國高層建筑的發(fā)展情況來看，可以看到框剪結(jié)構(gòu)在高層建筑中的應(yīng)用是非常廣泛的。我國內(nèi)地高層建筑從20世紀(jì)50年代開始自行設(shè)計(jì)和建造，20世紀(jì)50年代末在北京建成了一批高層公共建筑，其中就有較多的建筑采用了框剪結(jié)構(gòu)，如民族飯店（14層），民族文化宮（13層）。其后在全國三十多個(gè)大中城市修建了一批高層旅館，辦公樓，公寓，住宅，其中不少工程采用了框剪結(jié)構(gòu)，如北京飯店東樓（18層），上海大名飯店 （21層），上海賓館（27層），深圳商業(yè)中心（20層），北京香格里拉飯店（26層），南京市玄武飯店（主樓22層）等。

2 受力特性分析

框-剪結(jié)構(gòu)體系的工程應(yīng)用表明，框-剪結(jié)構(gòu)是框架和剪力墻兩種結(jié)構(gòu)的有機(jī)結(jié)合。通常情況下，框架是框一剪結(jié)構(gòu)的主要豎向受力構(gòu)件，而剪力墻是框-剪結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)向受力構(gòu)件，框架和剪力墻兩種不同的結(jié)構(gòu)形式通過剛性樓蓋體系而協(xié)同工作，起到了相互間取長補(bǔ)短的作用?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的變形特性具有剪切型的特點(diǎn)，位移越向上增長越慢，成內(nèi)收形開口曲線。剪力墻結(jié)構(gòu)的位移曲線具有懸臂彎曲梁的特征，位移越往上增大越快，成外彎形開口曲線。而在框-剪結(jié)構(gòu)中，框架和剪力墻之間通過平面內(nèi)剛度無限大的樓蓋連接在一起共同抵抗水平力，結(jié)構(gòu)水平位移特征處于框架和剪力墻之間，為反S型曲線，是彎剪型。因此，在框-剪結(jié)構(gòu)中，剪力墻在下部樓層變形小，承擔(dān)了近80%以上的水平剪力，而在上部樓層，框架變形小，可以協(xié)助剪力墻工作，抵擋剪力墻的外拉變形，從而承受很大的水平剪力。所以，框-剪結(jié)構(gòu)是框架和剪力墻兩種結(jié)構(gòu)水平變形的有機(jī)協(xié)調(diào)，從而達(dá)到減少結(jié)構(gòu)變形，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，提高結(jié)構(gòu)抗震能力的目的，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中具有很強(qiáng)的適用性。

框-剪結(jié)構(gòu)中框架、剪力墻的受力特性可以用結(jié)構(gòu)剛度特性值，即框架剛度與剪力墻剛度的比值來表達(dá)。若忽略連梁約束和軸向變形的影響，有：

式中：為建筑總高度；為框架平均總剛度；剪力墻折算總抗側(cè)剛度。

工程實(shí)踐表明：

①過小，結(jié)構(gòu)變形曲線呈彎剪型，即剪力墻用量過多，此時(shí)，結(jié)構(gòu)剛度增大，自振周期縮短，地震力相應(yīng)增加，結(jié)構(gòu)延性降低，尤其對(duì)框架頂部幾層極為不利。一般說來，剪力墻數(shù)量增多對(duì)抗震有利，但超過必要限度也是不合理和不經(jīng)濟(jì)的，為了使框架充分發(fā)揮作用，剪力墻剛度不宜過大，應(yīng)使。

②過大，結(jié)構(gòu)變形曲線呈剪彎型，即剪力墻用量過少，結(jié)構(gòu)剛度較差，常不滿足變形要求，同時(shí)，框架受力過大，梁柱截面尺寸加大，導(dǎo)致不經(jīng)濟(jì)，因此，剪力墻剛度不能過小，應(yīng)使。

3 影響因素探討

框-剪結(jié)構(gòu)中，剪力墻的布置和用量是由框架、剪力墻的受力特性并結(jié)合建筑物的功能、布置來決定的。因此，影響剪力墻用量的因素應(yīng)主要從以下幾個(gè)方面加以考慮：

1）剪力墻的用量與框一剪結(jié)構(gòu)的平面布置有關(guān)。剪力墻是框-剪結(jié)構(gòu)中主要抗側(cè)力構(gòu)件，一般按照“均勻、對(duì)稱、分散、周邊”的原則布置。

2）剪力墻的用量與結(jié)構(gòu)自振周期密切相關(guān)。結(jié)構(gòu)自振周期隨剪力墻剛度增大而變短，對(duì)于比較正常的框-剪結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)自振周期大致為：

式中：分別為結(jié)構(gòu)第1、2、3自振周期；為建筑物總層數(shù)。

3）剪力墻用量與結(jié)構(gòu)地震力大小直接相關(guān)。結(jié)構(gòu)總水平地震作用隨剪力墻剛度的增大而加大，對(duì)于截面尺寸、結(jié)構(gòu)布置都比較正常的結(jié)構(gòu)，其底部剪力大約在下述范圍內(nèi)：

七度Ⅱ類場(chǎng)地土：

八度Ⅱ類場(chǎng)地土：

式中：為結(jié)構(gòu)底部地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值；G為結(jié)構(gòu)總重量。

當(dāng)結(jié)構(gòu)底部剪力小于上述數(shù)值時(shí)，宜適當(dāng)增加剪力墻用量，提高結(jié)構(gòu)剛度，適當(dāng)增大地震力以保證安全；反之，地震力過大，宜適當(dāng)減少剪力墻用量，以求得合適的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。

4）在確定剪力墻用量時(shí)，必須考慮框架剛度?？颉艚Y(jié)構(gòu)中，框架和剪力墻是通過平面內(nèi)剛度無限大的樓蓋來共同作用的，由于樓蓋在水平力作用下會(huì)有一定的變形，使剛度較小的框架承受的實(shí)際水平力較計(jì)算值大。此外，框架是框一剪結(jié)構(gòu)抵抗地震力的第二道防線，有必要提高其設(shè)計(jì)地震力，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)有必要的強(qiáng)度儲(chǔ)備。因此，在地震力作用下，要求框架剪力：endprint

式中：為全部框架柱的總剪力；為結(jié)構(gòu)的底部剪力；為框架柱的最大樓層剪力。

當(dāng)。時(shí)，說明框架抗剪剛度不足，應(yīng)加大框架梁柱截面。當(dāng)時(shí)，說明框架抗剪剛度過大，宜減少框架梁柱截面。

4 合理用量計(jì)算研究

框-剪結(jié)構(gòu)中，剪力墻的用量應(yīng)適當(dāng)、合理，既能充分發(fā)揮框架的抗側(cè)能力，又能滿足結(jié)構(gòu)抗震和變形的要求，這樣的結(jié)構(gòu)才是較經(jīng)濟(jì)和合理的。根據(jù)框-剪結(jié)構(gòu)剛度特征值有：

所以：

式中：為剪力墻總剛度；為框架柱總剛度；為建筑物總層數(shù)；為建筑物層高；為框架結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)系數(shù)；底層柱，其中為框架結(jié)點(diǎn)梁柱線剛度比。

建筑平面確定后，根據(jù)構(gòu)件剛度、強(qiáng)度和柱最大軸壓比限值要求，通過預(yù)估樓面荷載從而確定梁柱截面尺寸。因此框架柱總剛度、框架結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)系數(shù)便可算得。根據(jù)框-剪結(jié)構(gòu)的受力特性，要求，這樣，把上述數(shù)據(jù)代入公式，便可求得所需剪力墻的總剛度從而求得剪力墻的合理用量。

5 豎向荷載問題研究

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，隨著建筑物高度的增加，豎向荷載的作用逐漸退居次要地位，而水平荷載作用則上升為主要的控制地位。然而，通過對(duì)上述兩幢框—剪結(jié)構(gòu)建筑物的內(nèi)力分析發(fā)現(xiàn)，框架在豎向荷載作用下產(chǎn)生的最大層剪力數(shù)值較大，水平位移值也較大。因此，在框-剪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，豎向荷載作用下的水平作用效應(yīng)也應(yīng)予綜合考慮。

1）應(yīng)盡量減少豎向荷載的偏心作用對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。由于框架的軸向變形引起的水平位移與剪力墻彎曲變形引起的水平位移不一致，使框架和剪力墻之間存在著相互作用的水平力，從受力的角度分析，若忽略了豎向荷載所引起的框架與剪力墻間的水平力變化，對(duì)剪力墻來說是偏于安全的，而對(duì)于框架來說是偏于不安全的。

2）結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，不同的加載模式對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力有一定的影響。在實(shí)際工程中，豎向荷載是逐層增加的，框架與剪力墻間的軸向變形差異，均在施工時(shí)逐層給予調(diào)整。而在結(jié)構(gòu)電算時(shí)，如果將豎向荷載一次加在結(jié)構(gòu)上，就會(huì)使得柱與剪力墻的軸向變形差異較實(shí)際情況增加，從而引起某些構(gòu)件的內(nèi)力與實(shí)際情況不符。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)加載情況對(duì)構(gòu)件截面及內(nèi)力予以調(diào)整。

參考文獻(xiàn)

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[5] 朱榮延.簡析淮安某住宅樓工程剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J].科技資訊，2010（6）：132，134.

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[7] 李培振，程磊，呂西林，等.可液化土-高層結(jié)構(gòu)地震相互作用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2010（4）：467-474.

[8] 梁自良.上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)的共同作用[J].科技資訊，2010（8）：87-88.endprint

式中：為全部框架柱的總剪力；為結(jié)構(gòu)的底部剪力；為框架柱的最大樓層剪力。

當(dāng)。時(shí)，說明框架抗剪剛度不足，應(yīng)加大框架梁柱截面。當(dāng)時(shí)，說明框架抗剪剛度過大，宜減少框架梁柱截面。

4 合理用量計(jì)算研究

框-剪結(jié)構(gòu)中，剪力墻的用量應(yīng)適當(dāng)、合理，既能充分發(fā)揮框架的抗側(cè)能力，又能滿足結(jié)構(gòu)抗震和變形的要求，這樣的結(jié)構(gòu)才是較經(jīng)濟(jì)和合理的。根據(jù)框-剪結(jié)構(gòu)剛度特征值有：

所以：

式中：為剪力墻總剛度；為框架柱總剛度；為建筑物總層數(shù)；為建筑物層高；為框架結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)系數(shù)；底層柱，其中為框架結(jié)點(diǎn)梁柱線剛度比。

建筑平面確定后，根據(jù)構(gòu)件剛度、強(qiáng)度和柱最大軸壓比限值要求，通過預(yù)估樓面荷載從而確定梁柱截面尺寸。因此框架柱總剛度、框架結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)系數(shù)便可算得。根據(jù)框-剪結(jié)構(gòu)的受力特性，要求，這樣，把上述數(shù)據(jù)代入公式，便可求得所需剪力墻的總剛度從而求得剪力墻的合理用量。

5 豎向荷載問題研究

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，隨著建筑物高度的增加，豎向荷載的作用逐漸退居次要地位，而水平荷載作用則上升為主要的控制地位。然而，通過對(duì)上述兩幢框—剪結(jié)構(gòu)建筑物的內(nèi)力分析發(fā)現(xiàn)，框架在豎向荷載作用下產(chǎn)生的最大層剪力數(shù)值較大，水平位移值也較大。因此，在框-剪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，豎向荷載作用下的水平作用效應(yīng)也應(yīng)予綜合考慮。

1）應(yīng)盡量減少豎向荷載的偏心作用對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。由于框架的軸向變形引起的水平位移與剪力墻彎曲變形引起的水平位移不一致，使框架和剪力墻之間存在著相互作用的水平力，從受力的角度分析，若忽略了豎向荷載所引起的框架與剪力墻間的水平力變化，對(duì)剪力墻來說是偏于安全的，而對(duì)于框架來說是偏于不安全的。

2）結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，不同的加載模式對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力有一定的影響。在實(shí)際工程中，豎向荷載是逐層增加的，框架與剪力墻間的軸向變形差異，均在施工時(shí)逐層給予調(diào)整。而在結(jié)構(gòu)電算時(shí)，如果將豎向荷載一次加在結(jié)構(gòu)上，就會(huì)使得柱與剪力墻的軸向變形差異較實(shí)際情況增加，從而引起某些構(gòu)件的內(nèi)力與實(shí)際情況不符。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)加載情況對(duì)構(gòu)件截面及內(nèi)力予以調(diào)整。

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[8] 梁自良.上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)的共同作用[J].科技資訊，2010（8）：87-88.endprint

式中：為全部框架柱的總剪力；為結(jié)構(gòu)的底部剪力；為框架柱的最大樓層剪力。

當(dāng)。時(shí)，說明框架抗剪剛度不足，應(yīng)加大框架梁柱截面。當(dāng)時(shí)，說明框架抗剪剛度過大，宜減少框架梁柱截面。

4 合理用量計(jì)算研究

框-剪結(jié)構(gòu)中，剪力墻的用量應(yīng)適當(dāng)、合理，既能充分發(fā)揮框架的抗側(cè)能力，又能滿足結(jié)構(gòu)抗震和變形的要求，這樣的結(jié)構(gòu)才是較經(jīng)濟(jì)和合理的。根據(jù)框-剪結(jié)構(gòu)剛度特征值有：

所以：

式中：為剪力墻總剛度；為框架柱總剛度；為建筑物總層數(shù)；為建筑物層高；為框架結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)系數(shù)；底層柱，其中為框架結(jié)點(diǎn)梁柱線剛度比。

建筑平面確定后，根據(jù)構(gòu)件剛度、強(qiáng)度和柱最大軸壓比限值要求，通過預(yù)估樓面荷載從而確定梁柱截面尺寸。因此框架柱總剛度、框架結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)系數(shù)便可算得。根據(jù)框-剪結(jié)構(gòu)的受力特性，要求，這樣，把上述數(shù)據(jù)代入公式，便可求得所需剪力墻的總剛度從而求得剪力墻的合理用量。

5 豎向荷載問題研究

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，隨著建筑物高度的增加，豎向荷載的作用逐漸退居次要地位，而水平荷載作用則上升為主要的控制地位。然而，通過對(duì)上述兩幢框—剪結(jié)構(gòu)建筑物的內(nèi)力分析發(fā)現(xiàn)，框架在豎向荷載作用下產(chǎn)生的最大層剪力數(shù)值較大，水平位移值也較大。因此，在框-剪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，豎向荷載作用下的水平作用效應(yīng)也應(yīng)予綜合考慮。

1）應(yīng)盡量減少豎向荷載的偏心作用對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。由于框架的軸向變形引起的水平位移與剪力墻彎曲變形引起的水平位移不一致，使框架和剪力墻之間存在著相互作用的水平力，從受力的角度分析，若忽略了豎向荷載所引起的框架與剪力墻間的水平力變化，對(duì)剪力墻來說是偏于安全的，而對(duì)于框架來說是偏于不安全的。

2）結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，不同的加載模式對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力有一定的影響。在實(shí)際工程中，豎向荷載是逐層增加的，框架與剪力墻間的軸向變形差異，均在施工時(shí)逐層給予調(diào)整。而在結(jié)構(gòu)電算時(shí)，如果將豎向荷載一次加在結(jié)構(gòu)上，就會(huì)使得柱與剪力墻的軸向變形差異較實(shí)際情況增加，從而引起某些構(gòu)件的內(nèi)力與實(shí)際情況不符。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)加載情況對(duì)構(gòu)件截面及內(nèi)力予以調(diào)整。

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