淺談框架剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點

田煦

(北京弘石嘉業(yè)建筑設(shè)計有限公司，北京100016)

淺談框架剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點

田煦

(北京弘石嘉業(yè)建筑設(shè)計有限公司，北京100016)

框剪結(jié)構(gòu)是在框架結(jié)構(gòu)中設(shè)置一定數(shù)量的剪力墻而形成的雙重結(jié)構(gòu)體系。通過變形特點和受力特點的分析，作為框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計的指導(dǎo)依據(jù)，逐條分點詳細說明，并結(jié)合振型曲線形象說明剪力墻布置引起剛度突變的不利結(jié)果。分析連梁的設(shè)計方法及雙連梁的設(shè)計原理，有效解決連梁超筋問題，并與工程實例相結(jié)合，最終總結(jié)出框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計需注意的要點，從而做出安全、經(jīng)濟的優(yōu)化設(shè)計。

框剪結(jié)構(gòu);變形特點;受力特點;雙連梁;自振周期

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.018

1 概述

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，俗稱為框剪結(jié)構(gòu)。主要結(jié)構(gòu)是框架，由梁柱構(gòu)成，小部分是剪力墻。墻體全部采用填充墻體，由密柱高梁空間框架或空間剪力墻所組成，在水平荷載作用下起整體空間作用的抗側(cè)力構(gòu)件。適用于平面或豎向布置繁雜、水平荷載大的高層建筑。

由于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)結(jié)合了框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)兩種體系的優(yōu)點，既能為建筑平面布置提供較大的使用空間，又具有良好的抗側(cè)力性能，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為當(dāng)代高層建筑設(shè)計普遍采用的結(jié)構(gòu)形式。

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)也有其不足之處，因框架梁柱相較于剪力墻剛度較小，剪力墻更容易吸引地震力，故剪力墻部分很難通過計算，須將剪力墻厚度增加到很大才行，但是往往因為剪力墻的加厚會引起更加不均勻的地震力分配導(dǎo)致此部分剪力墻更加不利。

那么，在設(shè)計框剪結(jié)構(gòu)之前，要先了解相較于其他結(jié)構(gòu)形式，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的自身特點，及其工作原理，以此作為實際工作中框架-剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的指導(dǎo)依據(jù)。

2 框剪結(jié)構(gòu)的特點

2.1 變形特點

在水平荷載作用下，框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形曲線以剪切型為主，而剪力墻的變形曲線則以彎曲型為主。[1]由于兩者是受力性能不同的兩種結(jié)構(gòu)，因而兩者之間需要通過樓板來協(xié)同工作。由于樓板平面內(nèi)剛度很大(計算中假定為無限剛性)，因此在同一樓板處必有相同的位移，這就形成了框剪結(jié)構(gòu)特有的變形曲線，呈反“S”形的彎剪型變形曲線，如圖1所示。

由圖1可以看出，框架下部位移增長迅速，上部增長較慢，剪力墻則與之相反。在框剪結(jié)構(gòu)下部，側(cè)移較小的剪力墻對框架提供幫助，墻把框架向左邊拉，框剪的側(cè)移比框架單獨側(cè)移小，比剪力墻單獨側(cè)移大；而上部，框架又可以對剪力墻提供支持，即框架把墻向左邊推，其側(cè)移比框架單獨側(cè)移大，比剪力墻單獨側(cè)移小。最終框剪結(jié)構(gòu)層間相對位移比大大減小，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度得到很好地提高。值得注意的是，在框架和剪力墻的協(xié)同工組中，樓板的面內(nèi)剛度和整體性起了十分重要的作用，如果樓板開大洞，或樓板平面凹入過大或有較大的樓層錯層，造成樓板面內(nèi)剛度急劇變化、整體性較差，都會大大影響框架和剪力墻兩者協(xié)同工作的效率。

圖1 框剪結(jié)構(gòu)彎剪型變形曲線

2.2 受力特點

剪力墻的側(cè)移剛度遠大于框架，因此剪力墻分配到的剪力也將遠大于框架（一般情況下，約80%以上水平荷載由剪力墻來承擔(dān)）。且剪力墻在下部結(jié)構(gòu)中側(cè)向位移趨勢小于框架，故剪力墻在一定程度上約束了框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形，水平荷載主要由剪力墻承擔(dān)；而在上部結(jié)構(gòu)中，由于剪力墻側(cè)向位移逐漸加大并有超出框架部分的趨勢，故此時框架結(jié)構(gòu)反而會承擔(dān)一部分約束剪力墻側(cè)向變形的附加力，因此，在上部結(jié)構(gòu)中框架也承擔(dān)了很大一部分的水平力。由于上述變形的協(xié)調(diào)作用，框架和剪力墻的荷載和剪力分布沿高度在不斷調(diào)整?？蚣艚Y(jié)構(gòu)中的框架底部剪力為零，剪力控制部位在房屋高度的中部甚至在上部，而純框架最大剪力在底部?？蚣艚Y(jié)構(gòu)在水平力作用下，框架與剪力墻之間樓層剪力的分配比例和框架各樓層剪力分布情況隨著樓層所處高度而變化。所以對于高層框剪結(jié)構(gòu)，要提高其抵抗側(cè)向變形的能力，即側(cè)移剛度，在實際設(shè)計中就體現(xiàn)為控制水平位移。

上述情況從計算結(jié)果數(shù)據(jù)中可以明確地看到：

從豎向剪力分配來看，框架結(jié)構(gòu)對剪力的控制部位一般在建筑的中部或上部，而剪力墻的控制部位一般在建筑的底部。綜合兩種結(jié)構(gòu)的框剪結(jié)構(gòu)，其最大的層間位移一般在（0.4～0.8）H范圍內(nèi)的樓層，以下是某框剪結(jié)構(gòu)計算結(jié)果片段，X方向地震力作用下的樓層最大位移（見表1）。

表1 X方向地震力作用下的樓層最大位移

框架柱地震剪力百分比，如表2所示。

表2 X方向框架柱地震剪力百分比

結(jié)果顯示樓層越高，框架柱承擔(dān)的剪力越大；結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為16層，位于建筑的中間部分，與理論相符。

3 框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計需注意的問題

框剪結(jié)構(gòu)中既有框架也有剪力墻，只要結(jié)構(gòu)布置合理，可以很好地發(fā)揮兩者的優(yōu)點，避開兩者的缺點。結(jié)合規(guī)范及以往設(shè)計經(jīng)驗，我們應(yīng)該在以下幾個方面予以注意。

3.1 剪力墻布置

在框剪結(jié)構(gòu)布置中，應(yīng)考慮到結(jié)構(gòu)剛度的對稱性，按“均勻、分散、對稱、周邊的基本原則布置。在《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）第6.1.8條中，規(guī)定如下。

1）抗震墻宜貫通房屋全高。

在實際設(shè)計中，不宜出現(xiàn)剪力墻布置的突變，即不宜減少剪力墻的布置，只可適當(dāng)變薄，但盡量避免剪力墻位置的變動，否則在突變樓層、位移及剪力墻受力會非常不利。這一點可以在振型曲線中體現(xiàn)，如果結(jié)構(gòu)剛度沒有突變，則振型曲線是比較連續(xù)光滑的曲線，不會有大進大出和大的凹凸曲折出現(xiàn)。理想的振型曲線，在平動狀態(tài)下，第一振型無零點，第二振型在0.7～0.8H處有一個零點，第三振型在0.4～0.5H及0.8～0.9H處個有一個零點。如圖2所示。

圖2 振型曲線

所以，在實際結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)盡量避免減少剪力墻，宜全樓通高布置，這就需要在方案階段，密切與建筑專業(yè)溝通配合，爭取剪力墻的最佳布置方案。

2）樓梯間宜設(shè)置抗震墻，但不宜造成較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

眾所周知，在普通情況下樓梯間剛度較為脆弱，不管是砌體結(jié)構(gòu)中要求樓梯間4角布置構(gòu)造柱還是框剪結(jié)構(gòu)中布置剪力墻都是對其剛度的加強，前提是，不能一味地將墻體全都布置在樓梯間，以免剛度過于集中過大地削弱外圍結(jié)構(gòu)的剛度造成結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)。

3）抗震墻兩端（不包括洞口兩側(cè)）宜設(shè)置端柱或與另一方向的抗震墻連接。

一般在框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計中，我們會在剪力墻每層的層頂增加墻頂暗梁，剪力墻不能形成筒狀結(jié)構(gòu)時，均依附周圍框架柱建立，使剪力墻和框架更好地協(xié)同工作，使之形成連續(xù)、完整的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)。而且兩柱間整個柱距增加一段剪力墻比增加同等長度的多個墻垛有效得多，甚至增加墻垛對框剪結(jié)構(gòu)的位移及剛度的調(diào)整不會出現(xiàn)較好的調(diào)節(jié)作用，故在框剪結(jié)構(gòu)中，剪力墻四周宜有框架柱及梁形成一個邊框，主要是因為，邊框墻可以使斜裂縫向相鄰墻面擴展的現(xiàn)象得以避免，而且當(dāng)墻板遭到破壞后，還可將其作為承重構(gòu)件，起到承重的作用，在破壞過程中形成二級防護，對阻止結(jié)構(gòu)徹底破壞起到一定的作用。

4）房屋較長時，剛度較大的縱向抗震墻不宜設(shè)置在房屋的端開間。

在水平力作用下，結(jié)構(gòu)的外圈水平位移較大，若剛度較大的剪力墻布置在端開間，則在剛度越大吸收地震力越大的情況下，水平位移也會越大，對結(jié)構(gòu)非常不利。對于每肢墻的高寬比需進行合理地控制。對于較長的剪力墻，墻中間宜設(shè)置洞口削弱其剛度，雙肢墻或多肢墻的設(shè)計,可以使出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)豎縫和洞口連梁處的裂縫和屈服部位得到有效地控制，同時還能夠降低其剛度，從而避免剪切破壞或者是底部墻體過早屈服現(xiàn)象的發(fā)生。

5）抗震墻洞口宜上下對齊，洞邊距端柱不宜小于300mm。

洞口上下對齊是承重墻結(jié)構(gòu)的共同要求，包括砌體結(jié)構(gòu)及剪力墻結(jié)構(gòu)，放置洞口移動造成剪力突變從而引起破壞。洞邊距端柱不宜小于300mm則是為了端柱能較好地發(fā)揮作用。

3.2 連梁設(shè)計

框剪結(jié)構(gòu)中的連梁，應(yīng)允許其在大震作用中有一定的破壞從而保護剪力墻自身的安全，在實際設(shè)計中，尤其在地震烈度較大的地區(qū)，連梁超筋難以避免，但作為抗震的第一道防線，在計算過程中，連梁超筋仍需要給予重視[2]。在《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2010）第11.7.11條中，給出了通過增加對角斜筋及對角暗撐來增加連梁抗剪能力的一些構(gòu)造要求，另外，在《全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施》（結(jié)構(gòu)）附錄B中，也給出了剪力墻連梁超限時的設(shè)計建議。由于跨高比越小連梁的剛度越大其延性越小，在設(shè)計跨高比較小如趨近于1的連梁時，可在連梁高度1/ 2處設(shè)置水平縫，形成雙連梁。

材料力學(xué)中，截面中最大的彎曲剪應(yīng)力在中性軸處，即沿截面中線形成剪力流，而雙連梁可視為兩個梁，下部梁受拉，上部梁受壓，形成一個附加的軸力，而該軸力形成的內(nèi)力偶可視為雙連梁在其上下兩個梁中線形成的大小相等、方向相反的剪力流，從而對外力起平衡作用，改變抗剪承載力的受力狀況，增強了連梁的延性。如圖3所示。

圖3 雙連梁受力示意圖

3.3 控制結(jié)構(gòu)自振周期

在實際結(jié)構(gòu)設(shè)計中，在地震作用下有2個設(shè)計方向：（1）結(jié)構(gòu)盡量做柔，以消耗地震力作用，（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計剛度較大，以抵抗地震力作用，不同的設(shè)計方向取決于具體項目的方案，應(yīng)具體問題具體分析。可以說，框剪結(jié)構(gòu)中并非剪力墻越多越好，墻體越多，厚度越大，剛度也就越大，自振周期也越小，吸引的地震力也就越多，如圖4所示。

從圖4可以看出，自振周期在0～0.1區(qū)間，地震影響系數(shù)呈線性快速上升趨勢，在0.1～Tg之間，達到最大，所以結(jié)構(gòu)自振周期應(yīng)避免出現(xiàn)在這2個區(qū)間內(nèi)，應(yīng)控制在Tg～5Tg之間，且在該區(qū)間內(nèi)，隨自振周期增大，地震影響系數(shù)呈下降趨勢，地震力作用減小，結(jié)構(gòu)也更易于通過計算。從下面的結(jié)構(gòu)計算結(jié)果可以明顯看到。

用兩個實例來做對比，兩個工程均位于8度區(qū)0.2g，地震分組為第一組，特征周期均為0.35。

圖4 地震影響系數(shù)曲線

實例1：結(jié)構(gòu)剛度大，自振周期偏小，地震力作用力大（見表3）。

表3 自振周期與結(jié)構(gòu)剛度、地震力變化關(guān)系表（實例1）%

實例2：結(jié)構(gòu)剛度適中，自振周期偏大，地震力作用減少（見表4）。

表4 自振周期與結(jié)構(gòu)剛度、地震力變化關(guān)系表（實例2）%

結(jié)合2個工程實例，從結(jié)果可以看出，與理論相符。

4 結(jié)語

綜上所述，在框剪結(jié)構(gòu)的設(shè)計中應(yīng)注意以下幾點：

1）協(xié)調(diào)各構(gòu)件的剛度及延性，在提高框架部分空間性能的同時有效地布置剪力墻。

2）在設(shè)計初期與建筑專業(yè)做好協(xié)調(diào)工作，使得剪力墻可以貫通建筑全高，并在建筑的樓電梯間、端部及角部布置適量剪力墻。

3）增加多道抗震防線及延性耗能機構(gòu)。

4）學(xué)習(xí)并采用一些新材料、新技術(shù)來提高結(jié)構(gòu)自身的抗震性能。

【1】韓淼，李守靜.設(shè)防水準對框架—剪力墻結(jié)構(gòu)工程造價的影響[J].工程抗震與加固改造，2010(6):165-166.

【2】朱炳寅.對雙連梁的認識與設(shè)計建議[J].建筑結(jié)構(gòu)，2008(11):138-139.

Discussion on Design Points of Frame-shear Wall Structure

Tian Xu
(Beijing Hongshijiaye Architectural DesignCo.Ltd.,Beijing100016,China)

The frame-shear structure is a dual structure system formed by setting up a number of shear walls in the frame structure.By analyzing the deformation and stress characteristics as a guideline for designing the frame-shear structure,it described in detail point by point,and explained the unwanted results of stiffness mutation by frame-shear wall arrangement,combined with the im age of the vibration curve.It gives another example of double beam design principle,and offers an effective solution to the problem of continuous beam&over bar.Based on the engineering examples,the main points in designing the frame-shear structure are summed up,in order to make safe,economic and optimal design.

frame-shear structure;deformation characteristics;stress characteristics;double beam;natural cycle

TU227

A

1007-9467（2016）08-0034-03

2016-08-04

田煦（1984～），女，北京人，工程師，從事建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究。