探析高层公共建筑框剪结构设计的优越性

关键词：高层公共建筑；框剪结构；优越性 

　　1 引言 

　　当前的公共建筑建的是越来越高，由于其使用功能的不太确定，因此大多数的都被建成大空间[1～2]。而如采用框架的结构，其水平的位移会太大，若采取剪力墙的结构，其使用空间又太零散，不能够满足所有的使用功能，所以要采用它们的综合体——框架剪力墙结构，这样便给建筑设计和其功能的使用带来了一定的灵活性与方便性[3]。 

　　2 高层公共建筑框剪结构简述 

　　2.1 高层公共建筑框架剪力墙的结构 

　　框架剪力墙的结构也称作框剪结构，其框架与纯框架的框架是不同的，并且其剪力墙在框剪结构中也是与相关结构中的剪力墙不同。这是由于下部楼层的剪力墙位移比较小，其拉着的框架会按照弯曲型的曲线进行变形，此时剪力墙将承受大部分的水平力；而其上部的楼层则是相反的，其剪力墙的位移会越变越大，呈现向外侧趋势。但框架则是有内收趋势的，其会拉着剪力墙按照剪切型曲线进行变形。此外，框架除要负担外荷载所产生的水平力之外，还要负出把剪力拉回的附加水平力。剪力墙不但不需要承受荷载所产生的水平力，而且还会因给框架附加的水平力而受到负剪力，因此，对上部的楼层，即使其外荷载所产生的楼层剪力非常的小，框架中也会出现比较大的剪力。 

　　2.2 框剪结构设计的优越性 

　　框剪结构具备剪力墙结构与框架结构的优点，适合11层以上的小高层的住宅，其空间格局比较灵活，抵抗水平的荷载能力也较强。而其造价却只多于框架结构，并且也较剪力墙结构更经济。然而，其框架常常只能承受和传递竖向的荷载，对水平的荷载和地震的作用，则主要是由剪力墙来承担，所以结构设计中一定要注重其布置中的框架与剪力墙的比例和剪力墙所布置的位置，从而使得其结构能够获得最合理的状态。 

　　3 高层框剪结构设计中应注意的问题[4] 

　　在抗震设计中，框剪结构的抗震等级、使用高度和高宽比是通过框架部分承担的总倾覆力矩的百分比而定，若框架部分承担的百分比接近与100%时，框剪结构的抗震等级、使用高度和高宽比取接近框架结构的抗震等级、适用高度和高宽比；若框架部分承担的百分比接近于0时，框剪结构的抗震等级、使用高度和高宽比取接近剪力墙结构的抗震等级、适用高度和高宽比。在设计中要运用概念设计的思想来采取措施，对一些薄弱环节进行加强。由于剪力墙抗侧力的主要构件，承担较大的水平剪力，因此要满足剪力墙设计的最基本构造要求，使剪力墙具有最低限度的强度和延性保证。宜根据地下室结构刚度的情况来确定嵌固层的位置，同时应注意的是地下一层与首层的刚度差别，有时明显、有时不明显，故不能简单地将正负零选定为上部结构的嵌固位置。在嵌固位置其楼板也有足够的刚度，且应适当的加大楼板厚度。 

　　普通高层框剪结构中，一般取3个振型组合就可以基本满足精度的要求。对于沿刚度分布和高度质量不均匀时，取6个振型也就足够了。对于控制连梁端部的剪应力则应≤0.15 σ，以保证连梁能够有足够的截面以及抗剪能力；此外，连梁剪跨比要≥1.0，而当剪跨比较小的时侯，可以用水平缝把连梁分为两根高相等的连梁；并按照梁端的实际抗弯配筋量以及钢筋的超强效应条件，来让连梁的受剪承载力大于其受弯承载力。在框架梁、柱箍筋满足计算和构造要求的情况下，应考虑填充墙刚度对框架的影响，同时应调整梁和箍筋的配筋。一般在框剪结构设计中，应优先采用轻质的材料作为围护结构、隔墙墙体材料。 

　　4 工程实例 

　　4.1 工程概况 

　　某高科技园区内的一个工程为：11 层办公建筑，底层层高5.4 m，2～11层层高4.2 m。下有一层地下室（与其他几幢房子形成一个大地下室）。设有两部电梯，其中一部为消防电梯。根据《建筑抗震设计规范》（GB50011 2010）抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度值为0.10 g。 

　　4.2 结构选型 

　　建筑总高度达到46.6 m 以上，风荷载比较大，综合造价问题和抗震问题，采用框架剪力墙结构。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）4.8.2框架剪力墙结构在总高度小于60m时，框架抗震等级为3 级，剪力墙抗震等级为2 级柱网剪力墙布置见图1。中间位置是楼梯和电梯部位，电梯楼梯部位设置剪力墙，因为X方向比Y 方向要长，故在X 方向的端部也设置剪力墙，最右边的剪力墙不能和左边的剪力墙设置在对称位置，因下部地下室为车流通道不能设置，上部为主出入口也不能设置，所以设置与中间跨。由于中间跨为楼梯间设置于端部，此剪力墙又不能传递结构的水平侧向力，所以设置于楼梯间内侧。这样满足了框架剪力墙结构中剪力墙的布置均按照均匀、对称、分散、周边的布置原则。 

　　4.3 该设计的计算结果 

　　4.3.1倾覆弯矩 

　　框剪结构体所受力的特点如下：框剪结构，是通过剪力墙与框架2种不同抗侧力结构所组成的受力体系，其框架与剪力墙之间的协调性使得房屋的各层变形趋向于均匀。在对高层建筑的混凝土结构技术的有关规程中，明确规定了框剪结构中框架柱的地震倾覆力矩比应>50%，并且其框架的抗震等级要按照框架结构进行采用。这表明框剪结构中，剪力墙承受了主要的水平荷载，同时，框架担负了主要的竖向荷载。如果框架的部分承受>50%倾覆力矩，则表明了所布置的剪力墙数量比较少，起不到相应的作用，而此种结构的形式就与纯框架结构差不多了。下表1为倾覆弯矩比建。 

　　从表中可以看出框架的部分承受倾覆力矩<50%，说明此剪力墙的布置数量较为合理，满足剪力墙与框架共同作用的特点。 　　4.3.2地震力和振型以及周期的输出文件 

　　根据高层建筑的混凝土结构的技术有关规程要求：“以其结构扭转为主的第一自振的周期Tt和以平动为主的第一自振的周期T1之比，对A类高度的高层建筑应≤0.9”。设计中以扭转为主的第1自振周期为1.0920，而以平动主的第1自振周期则为1.3935。两者的比是0.7836，很显然，其与规范的要求一致。 

　　4.3.3 与抗震规范要求的比较 

　　根据抗震规范中的要求，x与y方向的楼层，其最小的剪重比是1. 60%，而在本工程的数据之中，对每层的X方向作用力（CQC）有：第1层的剪重之比的最小值是4.10%，其有效的质量系数是99.50%，显然与要求相符。而对各层的Y方向作用力（OQC）有：第1层的剪重之比的最小值为4.14%，其y方向的有效放入质量系数达到了99.91%，满足要求。 

　　4.3.4 位移文件 

　　抗震设计是按照抗震设防3个水准的要求，通过二阶段的设计方法而得到的。要求其在多遇地震的作用下，主体结构不会受到损坏，同时填充墙和隔墙也没有过重的破坏，确保建筑的功能可以正常进行使用；而在罕遇的地震作用之下，主体结构虽然遭到破坏或者严重的破坏，但是不会倒塌。在高层建筑的混凝土结构技术的有关规程中，其也明确的规定了框架剪力墙结构的弹性位移角的限值为1/800；而框架剪力墙结构的层间弹塑性位移角的限制则为1/100。此项目采用了PKPM中的SATWE来进行计算的，所得到的弹性位移角最大的为第6 层。下表2为位移角。 

　　弹塑性层间的位移角在SATWE中是不能直接的被计算出来的，且多遇地震的影响系数的最大值是0.08，而罕遇地震的影响系数的最大值是0.5。即罕遇地震和多遇地震的影响系数的比值5 结束语 

　　从上面的探析中可以得出，使用框剪结构体系是可以得到更大的刚度以及更优越的抗震性能。同时，框剪结构的布置是合理的，可用的空间也是比较大的。所以对于那些要求空间较大，高度较高的高层公共建筑来讲，框剪结构的形式是再合适不过了。 

　　参考文献： 

　　[1]梁铨捷. 框-剪结构体系在高层结构设计中的应用研究[J]. 科技创新导报，2009，22：36. 

　　[2]张丽. 公共建筑框剪结构设计浅析[J]. 建材世界，2010，05：43-45. 

　　[3]金洋. 高层框剪结构设计技术初探[J]. 经营管理者，2013，05：379. 

　　[4]王建勇，孟繁锋. 高层框剪结构设计问题探讨[J]. 西部探矿工程，2001，S1：277-279.