探索剪力墙抗震设计在高层框剪结构建筑中的作用

关键词：框剪结构；剪力墙；受力变形；抗震设计 

　　框剪结构，由于其良好的抗震性能和广泛的实用被广泛的应用于我国的高层框剪结构建筑中，我国内地高层建筑从50年代开始自行设计和建造，50年代末在北京建成了一批高层公共建筑和旅馆建筑，民族饭店（14层）、民族文化宫（13层）等其中的较多建筑均采用了框剪结构。在高层框剪结构建筑中，水平力将主要由剪力墙承受，剪力墙承受的水平力为80%左右，框剪仅仅承受20%左右的水平力。在进行高层框剪结构建筑设计时，剪力墙的刚度除了满足一定的强度条件外，还必须有一定的侧向刚度，以免在地震作用下产生过大的变形。结构刚度过小或者过小在一定的程度上会造成不必要的经济的浪费。因此，剪力墙的合理设计是高层框剪结构抗震性能与经济合理性的关键问题。 

　　1 框剪结构高层建筑的特点 

　　1.1 框剪结构受力特点 

　　框架剪力墙结构，简称框剪结构，是一种在当代高层建筑设计普遍采用的结构形式，该结构主要的布置方法是运用剪力墙构成灵活自由的使用空间，使建筑物的功能得到满足。框剪结构的受力特点是由剪力墙和框架两种不同结构组成的另外一种新的的受力结构形式。所以它的框架和剪力墙不同于纯框架中的框架，也不同于纯剪力墙结构中的剪力墙。在框剪结构中，剪力墙的主要作用是是主要抵抗来自于外界的水平力。在框剪结构中，在主轴的方向都须布置剪力墙，形成双向抗水平力。如果仅在框剪结构中的一个主轴方向布置剪力墙，将会造成两个主轴方向的抗侧刚度悬殊。无剪力墙的方向与有剪力墙的方向在受力上不协调，这样会导致框剪结构的整体扭转。在框剪结构主轴的两个方向设置剪力墙时，在地震作用下，当其中一部分有所损伤时，另一部分有足够的刚度和承载力，承受较多的地震作用，安全可靠，从而达到防震的效果。 

　　我国规范规定在基本振型地震作用下，框架部分承担的地震倾覆力矩应小于结构总地震倾覆力矩的50%；欧洲规范 （EC8）（CENl994） 规定框剪结构中的剪力墙在房屋底部，受剪承载力不应小于底部总受剪承载力的35%。 

　　1.2 框剪结构在力的作用下的变形 

　　框剪结构在侧向力的作用下，剪力墙的变形以弯曲为主，框剪侧向变形以剪切为主。在实际的过程中往往由楼板来协同工作，由于楼板平面内刚度很大（计算中假定为无限刚性），在同一楼板处必有相同的位移，在框剪结构中，形成具有反S形的弯剪型变形的特有曲线，如图1所示。 

　　在框剪结构中，剪力墙下部位移增长缓慢，侧移比较小，对框架提供帮助，剪力墙将框架向左拉，框剪的侧移比剪力墙单独侧移大，比框架单独的侧移较小；在上部，框架把墙向左边推，其侧移比框架单独侧移大，比剪力墙单独侧移小。最终框剪结构的侧移大大减小，使框架和剪力墙中内力分布更趋合理。 

　　由于剪力墙的侧移刚度大于框架，所以剪力墙分配到的剪力也大于框架分配到的剪力。由于上述变形协调的作用，剪力墙和框架的剪力分布和荷载沿着楼层的高度在不断调整。框剪结构在水平力作用下，框架与剪力墙之间楼层剪力的分配比例和各楼层剪力分布情况随着楼层所处高度而变化，与结构刚度特征值 直接相关。在高层框剪结构建筑中中，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为零（如图2 所示）。 

　　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 

　　通过以上的分析和研究，我们得知了框剪结构的受力及变形特点和水平力在框架和剪力墙之间的分配。在设计高层框剪结构建筑的时候要结合以上框剪结构的变形以及水平力在框架和剪力墙之间的分配的特征，合理的对剪力墙和框剪结构进行设计，构造以及施工，确保高层框剪结构建筑的抗震的设计要求。 

　　2.1 剪力墙在框剪结构中布置 

　　在框剪结构中，剪力墙的位置、截面尺寸、形状和数量等会影响到结构的刚度，特别是剪力墙的位置和数量决定或者影响了结构的刚度。 

　　2.1.1 剪力墙在框剪结构中的位置的布置 

　　根据规范的要求，框剪结构中剪力墙的布置符合下列原则和要求：（1）抗震墙宜贯通房屋全高。（2）楼梯间宜设置抗震墙，但不宜造成较大的扭转效应。（3）抗震墙的两端（不包括洞口两侧）宜设置端柱或与另一方向的抗震墙相连。（4）房屋较长时，刚度较大的纵向抗震墙不宜设置在房屋的端开间。（5）抗震墙洞El宜上下对齐，洞边距端柱不宜小于300mm。框剪结构中剪力墙的布置应按“周边、均匀、成对、分散”的基本原则设置。 

　　2.1.2 剪力墙在框剪结构中的数量的布置 

　　在高层框剪结构建筑中，框剪结构由于有其自身固有的特性，所以它和纯剪力墙结构和纯框架结构不同。为了使框剪结构起到有效的抗震作用，剪力墙的数量必须科学，合理。 

　　在工程中，常常采用以下几个指标对框剪结构中的剪力墙数量进行计算，最后确定合理的剪力墙的数目。 

　　（1）框剪结构的“刚度特征值”。框剪结构中反映框架和剪力墙相对刚度的指标是结构刚度特征值，用下式表示： 

　　其中：EWJW——力墙的等效刚度；CF——框架的等效刚度。 

　　建筑的侧向变形形状与λ有关。λ名称为框剪结构的“刚度特征值”。一般λ的值在1.1～2.2之间，这样不仅充分的发挥了剪力墙的抗震作用，又发挥了框架的抗震作用。因此合理的选择λ值非常重要。 

　　（2）框剪结构的“墙率”。墙率：指楼层剪力墙的截面面积占楼层总面积的比率。在剪力墙的设计阶段，根据和与楼面面积Af与房屋底层全部剪力墙截面面积AW和全部柱截面面积AC之和的比值来验证剪力墙的数目是否合理。 　　（3）框剪结构的“壁率”。壁率是指平均每单位建筑面积上的剪力墙长度（cm/m2），因为地震力的大小不仅与建筑的质量多少有关，还与建筑的高度有关。通过震害调查说明，壁率小于5cm/m2时，发生了严重破坏；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）框剪结构中框架总剪力。在地震作用下，楼层的地震建立框架只承担很小的一部分，大部分的地震剪力主要由剪力墙承担。在抗震设计的框剪结构中，对应于地震作用标准值且未经调整的各层（或某一段内各层）框架承担的地震总剪力Vf同时应满足下式要求： 

　　Vf≥0.2V0 

　　其中：V0——结构底部总剪力 

　　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条强制规定在一、二、三级抗震等级的剪力墙中， 部分框支剪力墙底部加强部位的配筋率不应小于0.3%，水平和竖向分布筋的最小配筋率均不应小于0.25%。 

　　一般在温度及连梁应力较大处应适当加大水平分布筋配筋率。 

　　2.2.2 连梁 

　　强墙弱连梁是剪力墙设计的一个原则， 因为考虑了所有可能超限的连梁出现塑性铰的情况， 所以用此时计算出的墙肢内力的数据设计墙肢截面， 剪力墙结构是安全的。出现超限连梁的情况的时候可以采用根据连梁最大抗剪承载力计算抗弯纵向钢筋和连梁抗剪箍筋的方法，确保连梁的安全。 

　　2.2.3 基础及地下室设计 

　　高层剪力墙结构，其基础自然形成箱形基础， 由于可以将上部结构和地下室视为一个整体，箱形基础的高度实际上已不限于建筑物的地下部分。高层建筑基础的分析和设计应全面考虑地基基础和上部结构之间的的共同作用和相互作用。 

　　3 结语 

　　高层框剪结构的建筑物的结构设计应该正确的认识和把握各个结构的受力和变性的特性，合理的设计，科学的规划，在构件设计中， 对重要的部位着重加强，最大限度的发挥材料的强度。总结以往的经验，不断创新，完善技术，争取为高层建筑的抗震做一点的贡献。 

　　参考文献 

　　[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.GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.