探索剪力墻抗震設計在高層框剪結構建筑中的作用

宋子文+陳歡歡+何康

摘 要：隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，越來越多的高層建筑物出現(xiàn)在我們的視野里面，建筑物結構的形式和布置也出現(xiàn)了多樣化。其中框剪結構和剪力墻結構在高層建筑物當中的到了廣泛的應用。由于高層建筑物對抗震的設計要求比較高，所以在施工的過程中要考慮剪力墻的抗震設計以及剪力墻對高層框剪結構的作用。

關鍵詞：框剪結構；剪力墻；受力變形；抗震設計

框剪結構，由于其良好的抗震性能和廣泛的實用被廣泛的應用于我國的高層框剪結構建筑中，我國內(nèi)地高層建筑從50年代開始自行設計和建造，50年代末在北京建成了一批高層公共建筑和旅館建筑，民族飯店（14層）、民族文化宮（13層）等其中的較多建筑均采用了框剪結構。在高層框剪結構建筑中，水平力將主要由剪力墻承受，剪力墻承受的水平力為80%左右，框剪僅僅承受20%左右的水平力。在進行高層框剪結構建筑設計時，剪力墻的剛度除了滿足一定的強度條件外，還必須有一定的側向剛度，以免在地震作用下產(chǎn)生過大的變形。結構剛度過小或者過小在一定的程度上會造成不必要的經(jīng)濟的浪費。因此，剪力墻的合理設計是高層框剪結構抗震性能與經(jīng)濟合理性的關鍵問題。

1 框剪結構高層建筑的特點

1.1 框剪結構受力特點

框架剪力墻結構，簡稱框剪結構，是一種在當代高層建筑設計普遍采用的結構形式，該結構主要的布置方法是運用剪力墻構成靈活自由的使用空間，使建筑物的功能得到滿足?？蚣艚Y構的受力特點是由剪力墻和框架兩種不同結構組成的另外一種新的的受力結構形式。所以它的框架和剪力墻不同于純框架中的框架，也不同于純剪力墻結構中的剪力墻。在框剪結構中，剪力墻的主要作用是是主要抵抗來自于外界的水平力。在框剪結構中，在主軸的方向都須布置剪力墻，形成雙向抗水平力。如果僅在框剪結構中的一個主軸方向布置剪力墻，將會造成兩個主軸方向的抗側剛度懸殊。無剪力墻的方向與有剪力墻的方向在受力上不協(xié)調(diào)，這樣會導致框剪結構的整體扭轉。在框剪結構主軸的兩個方向設置剪力墻時，在地震作用下，當其中一部分有所損傷時，另一部分有足夠的剛度和承載力，承受較多的地震作用，安全可靠，從而達到防震的效果。

我國規(guī)范規(guī)定在基本振型地震作用下，框架部分承擔的地震傾覆力矩應小于結構總地震傾覆力矩的50%；歐洲規(guī)范 （EC8）（CENl994） 規(guī)定框剪結構中的剪力墻在房屋底部，受剪承載力不應小于底部總受剪承載力的35%。

1.2 框剪結構在力的作用下的變形

框剪結構在側向力的作用下，剪力墻的變形以彎曲為主，框剪側向變形以剪切為主。在實際的過程中往往由樓板來協(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），在同一樓板處必有相同的位移，在框剪結構中，形成具有反S形的彎剪型變形的特有曲線，如圖1所示。

在框剪結構中，剪力墻下部位移增長緩慢，側移比較小，對框架提供幫助，剪力墻將框架向左拉，框剪的側移比剪力墻單獨側移大，比框架單獨的側移較??；在上部，框架把墻向左邊推，其側移比框架單獨側移大，比剪力墻單獨側移小。最終框剪結構的側移大大減小，使框架和剪力墻中內(nèi)力分布更趨合理。

圖1 框剪結構受力及變形特點

由于剪力墻的側移剛度大于框架，所以剪力墻分配到的剪力也大于框架分配到的剪力。由于上述變形協(xié)調(diào)的作用，剪力墻和框架的剪力分布和荷載沿著樓層的高度在不斷調(diào)整?？蚣艚Y構在水平力作用下，框架與剪力墻之間樓層剪力的分配比例和各樓層剪力分布情況隨著樓層所處高度而變化，與結構剛度特征值 直接相關。在高層框剪結構建筑中中，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為零（如圖2 所示）。

圖2 水平力在框架和剪力墻之間的分配

2 在高層框剪結構建筑中剪力墻的布置以及抗震設計和構造

通過以上的分析和研究，我們得知了框剪結構的受力及變形特點和水平力在框架和剪力墻之間的分配。在設計高層框剪結構建筑的時候要結合以上框剪結構的變形以及水平力在框架和剪力墻之間的分配的特征，合理的對剪力墻和框剪結構進行設計，構造以及施工，確保高層框剪結構建筑的抗震的設計要求。

2.1 剪力墻在框剪結構中布置

在框剪結構中，剪力墻的位置、截面尺寸、形狀和數(shù)量等會影響到結構的剛度，特別是剪力墻的位置和數(shù)量決定或者影響了結構的剛度。

2.1.1 剪力墻在框剪結構中的位置的布置

根據(jù)規(guī)范的要求，框剪結構中剪力墻的布置符合下列原則和要求：（1）抗震墻宜貫通房屋全高。（2）樓梯間宜設置抗震墻，但不宜造成較大的扭轉效應。（3）抗震墻的兩端（不包括洞口兩側）宜設置端柱或與另一方向的抗震墻相連。（4）房屋較長時，剛度較大的縱向抗震墻不宜設置在房屋的端開間。（5）抗震墻洞El宜上下對齊，洞邊距端柱不宜小于300mm?？蚣艚Y構中剪力墻的布置應按“周邊、均勻、成對、分散”的基本原則設置。

2.1.2 剪力墻在框剪結構中的數(shù)量的布置

在高層框剪結構建筑中，框剪結構由于有其自身固有的特性，所以它和純剪力墻結構和純框架結構不同。為了使框剪結構起到有效的抗震作用，剪力墻的數(shù)量必須科學，合理。

在工程中，常常采用以下幾個指標對框剪結構中的剪力墻數(shù)量進行計算，最后確定合理的剪力墻的數(shù)目。

（1）框剪結構的“剛度特征值”?？蚣艚Y構中反映框架和剪力墻相對剛度的指標是結構剛度特征值，用下式表示：

其中：EWJW——力墻的等效剛度；CF——框架的等效剛度。

建筑的側向變形形狀與λ有關。λ名稱為框剪結構的“剛度特征值”。一般λ的值在1.1～2.2之間，這樣不僅充分的發(fā)揮了剪力墻的抗震作用，又發(fā)揮了框架的抗震作用。因此合理的選擇λ值非常重要。

（2）框剪結構的“墻率”。墻率：指樓層剪力墻的截面面積占樓層總面積的比率。在剪力墻的設計階段，根據(jù)和與樓面面積Af與房屋底層全部剪力墻截面面積AW和全部柱截面面積AC之和的比值來驗證剪力墻的數(shù)目是否合理。

（3）框剪結構的“壁率”。壁率是指平均每單位建筑面積上的剪力墻長度（cm/m2），因為地震力的大小不僅與建筑的質(zhì)量多少有關，還與建筑的高度有關。通過震害調(diào)查說明，壁率小于5cm/m2時，發(fā)生了嚴重破壞；壁率大于12cm/m2的建筑物大部分安全；壁率大于15cm/m2的建筑物是安全的。

（4）框剪結構中框架總剪力。在地震作用下，樓層的地震建立框架只承擔很小的一部分，大部分的地震剪力主要由剪力墻承擔。在抗震設計的框剪結構中，對應于地震作用標準值且未經(jīng)調(diào)整的各層（或某一段內(nèi)各層）框架承擔的地震總剪力Vf同時應滿足下式要求：

Vf≥0.2V0

其中：V0——結構底部總剪力

2.2 剪力墻的抗震設計及構造

2.2.1 墻體分布筋配筋率

“混凝土規(guī)范”11.7.11條，“高規(guī)”7.2.18條強制規(guī)定在一、二、三級抗震等級的剪力墻中， 部分框支剪力墻底部加強部位的配筋率不應小于0.3%，水平和豎向分布筋的最小配筋率均不應小于0.25%。

一般在溫度及連梁應力較大處應適當加大水平分布筋配筋率。

2.2.2 連梁

強墻弱連梁是剪力墻設計的一個原則， 因為考慮了所有可能超限的連梁出現(xiàn)塑性鉸的情況， 所以用此時計算出的墻肢內(nèi)力的數(shù)據(jù)設計墻肢截面， 剪力墻結構是安全的。出現(xiàn)超限連梁的情況的時候可以采用根據(jù)連梁最大抗剪承載力計算抗彎縱向鋼筋和連梁抗剪箍筋的方法，確保連梁的安全。

2.2.3 基礎及地下室設計

高層剪力墻結構，其基礎自然形成箱形基礎， 由于可以將上部結構和地下室視為一個整體，箱形基礎的高度實際上已不限于建筑物的地下部分。高層建筑基礎的分析和設計應全面考慮地基基礎和上部結構之間的的共同作用和相互作用。

3 結語

高層框剪結構的建筑物的結構設計應該正確的認識和把握各個結構的受力和變性的特性，合理的設計，科學的規(guī)劃，在構件設計中， 對重要的部位著重加強，最大限度的發(fā)揮材料的強度。總結以往的經(jīng)驗，不斷創(chuàng)新，完善技術，爭取為高層建筑的抗震做一點的貢獻。

參考文獻

[1] 蘇國芳，王天.框架剪力墻結構設計問題的探討[J].城市建設理論研究，2012（05）.

[2] 李瑄.高層建筑框架剪力墻結構設計中幾個問題的探討[J].中國高新技術企業(yè)，2008（16）.

[3] 張俏，柯長華，張國慶.高層剪力墻結構設計中常遇問題的解決方法[J].建筑結構，2006（6）.

[4] 中華人民共和國國家標準.GB50011-2010建筑抗震設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

（3）框剪結構的“壁率”。壁率是指平均每單位建筑面積上的剪力墻長度（cm/m2），因為地震力的大小不僅與建筑的質(zhì)量多少有關，還與建筑的高度有關。通過震害調(diào)查說明，壁率小于5cm/m2時，發(fā)生了嚴重破壞；壁率大于12cm/m2的建筑物大部分安全；壁率大于15cm/m2的建筑物是安全的。

（4）框剪結構中框架總剪力。在地震作用下，樓層的地震建立框架只承擔很小的一部分，大部分的地震剪力主要由剪力墻承擔。在抗震設計的框剪結構中，對應于地震作用標準值且未經(jīng)調(diào)整的各層（或某一段內(nèi)各層）框架承擔的地震總剪力Vf同時應滿足下式要求：

Vf≥0.2V0

其中：V0——結構底部總剪力

2.2 剪力墻的抗震設計及構造

2.2.1 墻體分布筋配筋率

“混凝土規(guī)范”11.7.11條，“高規(guī)”7.2.18條強制規(guī)定在一、二、三級抗震等級的剪力墻中， 部分框支剪力墻底部加強部位的配筋率不應小于0.3%，水平和豎向分布筋的最小配筋率均不應小于0.25%。

一般在溫度及連梁應力較大處應適當加大水平分布筋配筋率。

2.2.2 連梁

強墻弱連梁是剪力墻設計的一個原則， 因為考慮了所有可能超限的連梁出現(xiàn)塑性鉸的情況， 所以用此時計算出的墻肢內(nèi)力的數(shù)據(jù)設計墻肢截面， 剪力墻結構是安全的。出現(xiàn)超限連梁的情況的時候可以采用根據(jù)連梁最大抗剪承載力計算抗彎縱向鋼筋和連梁抗剪箍筋的方法，確保連梁的安全。

2.2.3 基礎及地下室設計

高層剪力墻結構，其基礎自然形成箱形基礎， 由于可以將上部結構和地下室視為一個整體，箱形基礎的高度實際上已不限于建筑物的地下部分。高層建筑基礎的分析和設計應全面考慮地基基礎和上部結構之間的的共同作用和相互作用。

3 結語

高層框剪結構的建筑物的結構設計應該正確的認識和把握各個結構的受力和變性的特性，合理的設計，科學的規(guī)劃，在構件設計中， 對重要的部位著重加強，最大限度的發(fā)揮材料的強度?？偨Y以往的經(jīng)驗，不斷創(chuàng)新，完善技術，爭取為高層建筑的抗震做一點的貢獻。

參考文獻

[1] 蘇國芳，王天.框架剪力墻結構設計問題的探討[J].城市建設理論研究，2012（05）.

[2] 李瑄.高層建筑框架剪力墻結構設計中幾個問題的探討[J].中國高新技術企業(yè)，2008（16）.

[3] 張俏，柯長華，張國慶.高層剪力墻結構設計中常遇問題的解決方法[J].建筑結構，2006（6）.

[4] 中華人民共和國國家標準.GB50011-2010建筑抗震設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

（3）框剪結構的“壁率”。壁率是指平均每單位建筑面積上的剪力墻長度（cm/m2），因為地震力的大小不僅與建筑的質(zhì)量多少有關，還與建筑的高度有關。通過震害調(diào)查說明，壁率小于5cm/m2時，發(fā)生了嚴重破壞；壁率大于12cm/m2的建筑物大部分安全；壁率大于15cm/m2的建筑物是安全的。

（4）框剪結構中框架總剪力。在地震作用下，樓層的地震建立框架只承擔很小的一部分，大部分的地震剪力主要由剪力墻承擔。在抗震設計的框剪結構中，對應于地震作用標準值且未經(jīng)調(diào)整的各層（或某一段內(nèi)各層）框架承擔的地震總剪力Vf同時應滿足下式要求：

Vf≥0.2V0

其中：V0——結構底部總剪力

2.2 剪力墻的抗震設計及構造

2.2.1 墻體分布筋配筋率

“混凝土規(guī)范”11.7.11條，“高規(guī)”7.2.18條強制規(guī)定在一、二、三級抗震等級的剪力墻中， 部分框支剪力墻底部加強部位的配筋率不應小于0.3%，水平和豎向分布筋的最小配筋率均不應小于0.25%。

一般在溫度及連梁應力較大處應適當加大水平分布筋配筋率。

2.2.2 連梁

強墻弱連梁是剪力墻設計的一個原則， 因為考慮了所有可能超限的連梁出現(xiàn)塑性鉸的情況， 所以用此時計算出的墻肢內(nèi)力的數(shù)據(jù)設計墻肢截面， 剪力墻結構是安全的。出現(xiàn)超限連梁的情況的時候可以采用根據(jù)連梁最大抗剪承載力計算抗彎縱向鋼筋和連梁抗剪箍筋的方法，確保連梁的安全。

2.2.3 基礎及地下室設計

高層剪力墻結構，其基礎自然形成箱形基礎， 由于可以將上部結構和地下室視為一個整體，箱形基礎的高度實際上已不限于建筑物的地下部分。高層建筑基礎的分析和設計應全面考慮地基基礎和上部結構之間的的共同作用和相互作用。

3 結語

高層框剪結構的建筑物的結構設計應該正確的認識和把握各個結構的受力和變性的特性，合理的設計，科學的規(guī)劃，在構件設計中， 對重要的部位著重加強，最大限度的發(fā)揮材料的強度?？偨Y以往的經(jīng)驗，不斷創(chuàng)新，完善技術，爭取為高層建筑的抗震做一點的貢獻。

參考文獻

[1] 蘇國芳，王天.框架剪力墻結構設計問題的探討[J].城市建設理論研究，2012（05）.

[2] 李瑄.高層建筑框架剪力墻結構設計中幾個問題的探討[J].中國高新技術企業(yè)，2008（16）.

[3] 張俏，柯長華，張國慶.高層剪力墻結構設計中常遇問題的解決方法[J].建筑結構，2006（6）.

[4] 中華人民共和國國家標準.GB50011-2010建筑抗震設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.