探索剪力墙抗震设计在高层框剪结构建筑中的作用

黄建彬（佛山南方建筑设计院有限公司）



探索剪力墙抗震设计在高层框剪结构建筑中的作用

黄建彬（佛山南方建筑设计院有限公司）

随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，越来越多的高层建筑出现在我们的视野，建筑结构和装饰领域也出现了多元化的形式。其中剪力墙结构和框剪结构在高层建筑中得到广泛应用。随着高层建筑抗震需求设计的要求越来越高，所以在施工过程中要考虑剪力墙和剪力墙高层框剪结构的抗震设计。

框剪结构；剪力墙；受力变形；抗震设计

前言

框剪结构，由于其良好的抗震性能和广泛的实用性被广泛应用于中国高层框剪结构中，从50年代开始我国自行设计和建造高层建筑，在50年代设计建造了一批高层公共建筑和宾馆大厦，民族饭店（14层）、国家文化宫（13层）等更多的建筑都采用框剪结构。在高层框剪结构中，将主要由剪力墙承受水平力，剪力墙承受了80%左右的水平力，而剪框结构只承受了水平力的20%左右。高层框剪结构在进行建筑设计时，剪力墙除了的满足一定条件强度之外，还必须有一定的横向刚度，以免地震的作用下过度变形。结构对于小或过大到一定程度时可引起不必要的经济上的浪费。所以，合理设计剪力墙是高层框剪结构经济合理性和抗震性能的非常重要的问题。

1　框剪结构高层建筑的特点

1.1框剪结构受力特点

框剪结构是框架剪力墙结构的简称，是一个在现代化的高层建筑设计中广泛采用的结构形式，主要布置该结构的方法是用剪力墙结构构成灵活运用的自由空间，让建设功能得到满足。框剪结构的负载特性是由剪力墙和框架构成的另一种新形式的结构框架来承受荷载。所以它的剪切墙和框架是与纯框架中的框架是不同的，也与纯剪力墙结构中的剪力墙不同。在框剪结构中，抵抗来自于外界的水平力是剪力墙的主要作用。

在框剪结构中，在主轴的方向上必须设置剪切墙，形成了双向水平阻力。如果只把剪力墙布置在框剪结构的一个主轴方向上，将会导致两个主轴方向上的抗测水平力的程度悬殊。无剪力墙的方向与有剪力墙的方向会有不协调的受力，这将导致整体框剪结构扭转。当把剪力墙设置在框剪结构主轴的两个方向时，由于地震作用的作用，当一部分损坏，其他部分具有足够的承载能力和刚度，来承受更多的地震作用，可靠而且安全，从而达到了抵抗地震的作用。

1.2框剪结构在力的作用下的变形

横向力作用下的框剪结构，剪力墙变形以弯曲变形为主，而剪切变形多在框剪侧向。往往在实际的设计过程中由楼板来协同工作，由于在楼板平面刚度很大（刚性在计算是被假定为无限的），在同一楼层的位移是相同的，在框剪结构中，形成一个S形弯曲型剪切变形特有曲线（如图1所示）。

图1　框剪结构受力及变形特点

在框剪结构中，剪力墙下部位移增长较慢，横向位移比较小，对框架提供帮助，框架在剪力墙作用下向左移动，剪力墙单独横向位移比框剪的横向位移小，比框架单独的横向位移大；在上部，墙在框架的作用下向左边移动，其侧移比框架单独横向移动大，比剪力墙单独横向位移小。最终，将最大限度地减少横向位移结构，框架和剪力墙内力分布更趋合理。

由于框架的横向刚性比剪力墙要小，所以剪切力在框架上的分布比在剪力墙上的分布也要小。由于变形的协调作用，框架和剪力墙的剪切力分布荷载随着楼层高度的不断变化从而不断做出调整。框架剪切结构在横向力的作用下，各楼层剪力分布情况和剪力墙与框架之间楼层剪力的分配比例随着楼层所处高度的变化而变化，会对结构刚度特征值有直接的影响。在高层框剪结构建筑中，剪力控制部位在房屋高度的中部甚至在上部框架底部剪力为零（如图2所示）。

图2　水平力在框架和剪力墙之间的分配

2　在高层框剪结构建筑中剪力墙的布置以及抗震设计和构造

通过以上的研究和分析，我们了解到，剪力墙和框架之间的水平力分布的特点和框剪结构的变形特点。在设计高层框剪结构是要注意结合剪力墙和框架之间的水平力分布的特点和框剪结构的变形特点，合理的对框剪结构和剪力墙的结构和施工进行设计，以确保高层框剪结构抗震设计要求。

2.1剪力墙在框剪结构中的布置

在框剪结构中，剪力墙的位置、形状和数量、截面尺寸将影响该结构的刚度，尤其是剪力墙数量和位置决定或影响该结构的刚度。

（1）根据剪力墙在框剪结构中结构的位置的布置根据规范的要求，框剪结构中剪力墙的安排的位置要符合以下的要求和原则：①抗震墙适宜在楼梯间设置，但扭转效应不宜对造成较大的影响。②房屋的全高应贯穿抗震墙。③较长的房屋，因为纵向抗震墙刚度较大所以不适宜在房屋的端开间设置。④抗震墙的两端宜与另一方向的抗震墙相连或设置端柱。

（2）框剪结构中的剪力墙结构的数量和布置在高层框剪结构中，框剪结构由于其固有的特点，因此它和纯框架结构和纯剪力墙结构不同。为了使框剪结构起到更有效的抗震效果，剪力墙的数量必须合理，科学。

2.2剪力墙的抗震设计及构造

2.2.1墙体分布筋配筋率

“混凝土规范”11.7.11条，“高规”7.2.18条强制规定在第一，第二和第三抗震等级的剪力墙中，框架的部分支剪力墙在底部加强的加强比应不小于0.3%，分布筋的水平和垂直分布的最小配筋率应不小于0.25%。一般在连梁应力较大及温度较高处应适当加大水平分布筋配筋率。

2.2.2连 梁

剪力墙设计的其中的原则之一就是强墙弱连梁，因为考虑到案件的所有可能的超限梁塑性铰，所以用计算出的墙肢内部数据设计墙肢截面，剪力墙结构是安全的。

2.2.3基础及地下室设计

高层剪力墙结构，箱形基础是它的基础自然形成的，由于地下室和上部结构可以被看作是一个整体，建筑物的地下部分对该框基础的高度实际上并不影响。高层建筑基础的设计和分析应全面考虑地基基础和上层建筑之间的相互作用和共同作用。

3　工程实例

3.1工程概况

本工程为广东体育中心训练基地运动员公寓。本工程地上15层，地下1层，地下室层高1～2层层高5.5m，标准层层高3.4m，普通层高5m。建筑8度抗震设防，风压0.40kN/m2，地基基础设计等级甲级，建筑抗震设防类别丙类，建筑场地类别Ⅲ类，框架抗震等级二级，剪力墙抗震等级一级。

3.2结构布置

3.2.1设计基本原则

根据业主对建筑功能的使用需要，由于考虑到这项工程的1层，2层为健身中心和餐厅、结构高度及房屋开间较大的需要，采用钢筋混凝土框架——剪力墙体系的主体结构。

3.2.2剪力墙的布置与设计

根据《高层建筑混凝土结构技术规范》的要求，剪力墙应在建筑物的外围附近统一安排，电梯间平面，楼梯间，恒定负载和平面形状变化较大的地方，剪力墙与剪力墙之间的距离不宜过大，剪力墙的墙肢长度和刚度是成正比的，所以剪力墙的墙肢越长就能更大的吸收负载和地震力，所以剪力墙不宜太长，在实际设计中往往通过在剪力墙上开孔的设计以降低剪墙刚度，且剪力墙宜贯通建筑物全高，避免刚度突变；孔结构应对上下对齐。

楼梯，楼梯和竖井通高开洞和楼梯一般不考虑楼梯板的支撑作用，该位置的地板刚度被严重削弱，因而不能通过地板传递刚度，所以在楼梯间，电梯间井位置布置剪力墙来加强整体刚度并且把剪力墙围成筒状会更加增强开洞部位的刚度。同时以确保该结构具有足够的刚度以抵抗扭转，并在尽可能使平面形心和建筑刚心一致，应在建筑物周围的对称位置均匀布置剪力墙。

3.2.3剪力墙的连梁设计

剪力墙之间的连梁，虽然它是第一个被允许损害的，但实际设计是，连梁发挥了很大的作用，用于连接剪力墙，并通过连梁分配地震力，为了墙肢屈服晚于连梁屈服实现强剪弱弯，计算模式的调整，主要是考虑到整体规律，通过调整开启洞口高度加强连梁抗剪承载力。在设计中还要注意，当损伤的连梁对竖向荷载的作用不明显时，根据独立墙肢图的计算图分析第二个多遇地震中剪力墙的作用。

3.2.4楼屋面板的选型及设计

由于本工程主体结构采用了现浇钢筋混凝土框架—剪力墙结构，为了能提高柱与剪力墙的协调性及整体结构的刚度，楼板也选用现浇钢筋混凝土梁板式结构。

3.2.5整体计算结果

在计算满足整体要求的基础上通过调整连梁截面及柱墙来杜绝超筋的情况，通过改变混凝土等级及构件截面来调整剪力墙及框架柱轴压比，通过改变梁截面高度及楼板厚度来满足挠度的要求。

4　结语

高层建筑框剪结构设计应正确认识和把握各种结构的受力和变性的特点，科学规划，合理设计，在组件设计中，重点加强重要的部位，发挥材料的最大强度。总结过去的经验，完善技术，不断开拓创新，为高层建筑的抗震做出一点点贡献。

［1］苏国芳，王天.框架剪力墙结构设计问题的探讨［J］.城市建设理论研究，2012（05）.

［2］李 瑄.高层建筑框架剪力墙结构设计中几个问题的探讨［J］.中国高新技术企业，2008（16）.

［3］张 俏，柯长华，张国庆.高层剪力墙结构设计中常遇问题的解决方法［J］.建筑结构，2006（6）.

［4］中华人民共和国国家标准.《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

黄建彬（1980-），男，中级工程师，本科，主要从事结构设计工作。

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2095-2066（2016）14-0133-02

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