淺析高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計研究分析

張雅靜 李治國 呂東梅

摘要：框架剪力墻結(jié)構(gòu)是高層建筑中的常用結(jié)構(gòu)。本文從框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本概念入手，分析了框架剪力墻的構(gòu)造設(shè)計內(nèi)容，包括抗震墻、剪跨比等的設(shè)計，并出混凝土結(jié)構(gòu)中最常用的框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的注意要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：混凝土；框架剪力墻結(jié)構(gòu)；高層建筑

1、框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本概念

剪力墻是現(xiàn)代高層建筑中一項重要建筑內(nèi)容，框架剪力墻的尺寸大小必須符合建筑規(guī)定，原則是尺寸較大但厚度必須較小，幾何特征應(yīng)該呈板狀，受力接近于柱形。在剪力墻結(jié)構(gòu)中，墻是平面構(gòu)件，其承受力沿著平面作用的水平剪力和彎矩外，還必須考慮到豎向壓力。在彎矩和軸力及剪力的共同作用下進(jìn)行作業(yè)，其受力水平作用下可以看成了底部嵌固于基礎(chǔ)上的懸臂深梁。在實(shí)際工程中剪力墻分為整體墻和聯(lián)肢墻，整體墻就比方如一般房屋建筑的山墻或者魚骨式結(jié)構(gòu)片墻和小開洞墻。而聯(lián)肢墻是由連梁聯(lián)接起來的剪力墻，但是因?yàn)橐话氵B梁的剛度要小于墻肢的剛度，所以，墻肢單獨(dú)作用非常明顯，連梁中部出現(xiàn)的反彎點(diǎn)要注意墻肢軸的壓比限值。當(dāng)剪力墻開洞過大時便形成寬梁、寬柱所組成的短墻肢，構(gòu)件形成的兩端帶有剛域的變截面桿件，在內(nèi)力作用下許多墻肢將出現(xiàn)反彎點(diǎn)，因此，計算和構(gòu)造應(yīng)該按照近似框架結(jié)構(gòu)來考慮?？偟恼f來，設(shè)計剪力墻時，應(yīng)該根據(jù)各種墻體本身的特點(diǎn)，以及不同的受力特征和要求，墻體內(nèi)力分布狀態(tài)和破壞形態(tài)，全面具體地考慮設(shè)計配筋和構(gòu)造措施?？蚣芗袅Y(jié)構(gòu)設(shè)計是考慮了水平和豎直兩個方向作用所進(jìn)行的結(jié)構(gòu)整體分析，所以求得內(nèi)力后需按照偏壓或偏拉進(jìn)行正截面受力計算。

2、框架剪力墻的構(gòu)造設(shè)計內(nèi)容

框架墻結(jié)構(gòu)就高層建筑而言，在實(shí)際工程中運(yùn)用最多，抗震墻要有足夠的數(shù)量以滿足層間位移限值，位置相對靈活?？拐饓m合連續(xù)布置、全長貫通。在設(shè)計時應(yīng)避免墻肢長度的突變以及洞口上下的不對齊。同時，洞邊距柱的內(nèi)側(cè)應(yīng)不小于300mm，以保證柱作為邊緣構(gòu)件的作用和約束邊緣構(gòu)件的長度。雙向抗側(cè)力的結(jié)構(gòu)形式是使縱橫墻相連，使彼此成為有緣的剪力墻。對于一、二級抗震框架剪力墻，連梁跨高比不宜大于5，且高度不小于400mm。柱中線與梁、墻中線不宜大于柱寬的1/4，以減少地震作用對柱的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，否則可以采取加強(qiáng)柱內(nèi)配箍率的方法來彌補(bǔ)。如果剪力墻的剪跨比大于2，連梁的跨高比大于2.5，那么設(shè)計的剪壓比不宜大于0.2，但如果剪力墻的剪跨比小于2，連梁的跨度比小于2.5，那么剪壓比不大于0.15。另一方面，框架剪力墻結(jié)構(gòu)的底部加強(qiáng)區(qū)的設(shè)計范圍應(yīng)該不小于200mm且不小于層高的1/16，其他部位應(yīng)不小于160mm且不小于層高的1/20，框架剪力墻結(jié)構(gòu)的墻周圍應(yīng)設(shè)置梁或暗梁與端柱組成邊框。剪力墻的水平分布能夠起抗剪作用，這種設(shè)計中，當(dāng)建筑物較高較長或?yàn)榭蚣艚Y(jié)構(gòu)時，配筋應(yīng)該適當(dāng)增加，特別是在梁部位或溫度、剛度變化等敏感部位最好適當(dāng)增加；這時還應(yīng)該考慮到墻的豎向鋼筋，因?yàn)樗饕鹂箯澴饔茫⑶以谝恍┒鄬蛹袅?gòu)造配筋時所取的配筋率一般不扣除約束邊緣構(gòu)件或構(gòu)件邊緣構(gòu)件的鋼筋。

3、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。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)計中具有很強(qiáng)的適用性。

4、框架剪力墻構(gòu)造的設(shè)計注意事項

4.1部分框架支的設(shè)計。對于抗震墻結(jié)構(gòu)和部分框支抗震墻結(jié)構(gòu)，若內(nèi)縱墻很長，且連梁的跨高比小，剛度大，則墻的整體性好，在水平地震作用下，墻的剪切變形較大，墻肢的破壞高度可能超過底部加強(qiáng)部位的高度，因此將長墻分成墻段，使墻的高寬比大于2，墻段由墻肢和連梁組成。其目的是設(shè)置剛度和承載力較小的連梁（跨高比不小6的連粱），這樣防止在地震作用下，先破壞連梁，使墻段成為抗側(cè)力單元，且墻段以彎曲變形為主。

4.2抗震端的設(shè)計?？拐鸲撕筒糠挚蛑Y(jié)構(gòu)的墻肢截面長度沿高度不宜有太大出入和變化，一、二級抗震墻的底部加強(qiáng)區(qū)以及墻體洞口較大時，最好不要有錯洞布置的剪力墻。

4.3框支層的設(shè)計。部分框支的抗震墻結(jié)構(gòu)在地震作用時有可能將變形集中在框支層上，這樣就應(yīng)該首先加固框支層，使其牢固。一般地規(guī)范規(guī)定是，框支層的側(cè)向剛度不應(yīng)小于上一層非框支層的側(cè)向剛度的50%?？蛑Φ乃降卣鸺袅χ饕陕涞丶袅Τ袚?dān)，所以要保證樓板有足夠大的平面內(nèi)剛度傳遞水平力。落地墻最大水平間距不宜大于24m。

4.4墻的豎向鋼筋的設(shè)計。在框架剪力墻中，特別是高層的工程設(shè)計里面，豎向鋼筋主要起到抗彎作用。高層建筑與底層不同，在目前一些多層低高層剪力墻中電算記過多為構(gòu)造配筋，但配筋時所取的配筋率有的人往往扣除了約束邊緣構(gòu)件或構(gòu)造邊緣構(gòu)件中的鋼筋，但是高層建筑中的剪力墻設(shè)計不能這么做，這一點(diǎn)必須注意。

5、 框-剪結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用思路

高層建筑是社會經(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)計中，水平荷載是設(shè)計的主要控制因素。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）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低，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。

結(jié)語：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，相信對從事相關(guān)工作的同行有著重要的參考價值和借鑒意義。

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作者簡介：張雅靜（1982.02- ） 講師/工程師 水工結(jié)構(gòu)專業(yè)

李治國（1981.05- ） 講師 機(jī)械設(shè)計專業(yè)

呂東梅（1980.01- ） 講師/工程師 給水排水工程技術(shù)專業(yè)