對建筑框架剪力墻結構設計合理配置分析

摘要：現代城市發展，框架式建筑逐漸成為建筑工程主導，本文結合筆者在工作中的經驗論述了框架剪力墻中剪力墻的合理配置，合理地確定剪力墻的數量是關系到結構的安全和技術經濟合理最為關鍵的問題。并結合工程案例，對框架剪力墻的相關方面設計進行了分析。

關鍵詞：建筑工程；框架剪力墻；結構設計；箍筋配箍特征值

1 框架剪力墻中剪力墻的合理配置

根據國內外遭受到地震后展開調查所得到的數據，得到了一些經驗。日本采用平均壓應力-墻面積表示法來分析，其中平均壓應力σ= G/（AC+ AW），G為樓層重量，AC，AW分別為框架柱及剪力墻的面積。國內根據已建的大量框架- 剪力墻結構，提出底層結構截面面積AC+AW與樓面面積Af之比及AW與樓面面積Af之比（ 見表1），供設計參考（如圖1）。

剪力墻設置是否合理的計算標準主要根據結構在風荷載和地震荷載作用下的位移比、位移角，地震作用下結構的振型曲線、自振周期、結構扭轉為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比、結構薄弱層判斷及風荷載和地震作用下建筑物底部剪力和總彎矩是否在合理范圍內。

2 工程案例

某建筑物總建筑面積20000m2。其中，地上部分建筑面積18880m2，共16層，帶5層裙房和一層設備轉換層，建筑高度68.8m，地下部分建筑面積1161m2，共1層。結構體系為框架-剪力墻結構，抗震設防烈度7°，設計基本地震加速度值為0.10g，設計地震為第二組，II類場地，設計特征周期為0.4s，風荷載按100年一遇風壓取值為0.45kN/m2，雪壓取值為0.35kN/m2。

在框架剪力墻設計中，剪力墻的平面布置要遵循以下幾點原則：均勻、分散、對稱、周邊等。每片剪力墻剛度不要太大，連續尺寸不要太長，每一片墻肢的彎曲剛度適中，不會因為個別墻肢的局部破壞而影響整體的抗側力性能。剛度愈大的墻肢吸收的荷載也愈大，所以考慮墻肢開洞來減輕墻肢的剛度集中問題。剪力墻布置在平面形狀變化處，如角隅、端角，因為凹凸角部位是應力集中處，宜設置剪力墻加強。同時電梯間、樓梯間樓面開洞嚴重地削弱樓板剛度，所以不能保證框架與剪力墻協同工作，需要設置剪力墻來加強。平面圖中3軸與A軸處建筑平面布置不允許布置剪力墻，故在4軸與A軸處布置剪力墻。同時為防止墻肢剛度過大而吸收大量的地震力而破壞，在較長的剪力墻中開設洞口，將其分成長度較為均勻的若干墻段，墻肢之間采用連梁連接，使每片剪力墻的彎曲剛度適中，不會出現個別墻的受力太集中而引起破壞。本設計中，主樓樓層面積Af為1050m2，剪力墻面積AW為18.50m2，框架柱面積AC為14m2，AW /Af=1.76%，（AC+AW）/Af=3.09%，符合圖1數據（如圖2所示）。

圖2 框架柱面積數據

設計中對扭轉效應的控制采取了一些措施： ①由于主樓標準層凸出部分大于平面總寬度的30%，故將該凸出部位板厚加厚至150mm，并在計算時設為彈性樓板；②設備層層高低，其剛度雖大于相鄰上部樓層側向剛度的70%，但剛度相對其相鄰層還是比較薄弱，故將設備層及其相鄰的上下層強制設為薄弱層，加強該處的豎向構件；③采取措施使各樓層的剛心、質心的偏心距控制在0.15以內，主樓與裙房屋面的質心、剛心偏心距小于建筑相應邊長的20%；④在裙房的一側合理布置剪力墻；⑤對框架柱傾覆彎矩及樓層框架總剪力進行調整，主樓的底部總剪力為裙房屋面的總剪力。模型經過調整，對計算結果進行分析判斷，確認后作為工程設計依據。

3 提高框架柱及剪力墻軸壓比措施

軸壓比主要為控制結構的延性，框架結構的缺點是側向剛度小，當層次較多時，全產生過大的側移，易引起非結構性構件破壞而影響使用，但它具有平面布局靈活，可形成較大建筑空間的優點，為了保留這個優點，同時又提高其側向剛度，便產生了框架剪力墻結構，這個結構主要特點是在保留框架結構優點的基礎上由于增設了抵抗剪力的剪力墻，從而大大地增加了其側身剛度，在這個結構體系中剪力墻承擔了80%的以上的水平荷載，而其中的框架僅承擔了約20%，這與框架結構中不管什么方向的荷載均由框架全部承擔的情況是不同的，因此，我們可以看出，當建筑高度、設防烈度、建筑重要性類別、基底類別等均相同的情況下，對框架結構中的框架要求要比框剪結構中框架的要求等級要高得多，隨著軸壓比的增大，結構的延性越來越差，對高層建筑抗震十分不利。本工程在進行初步設計時，提出當地混凝土攪拌站無法保證C40以上混凝土施工質量，混凝土最高強度等級為C40。根據規范規定，二級框架-剪力墻結構框架柱軸壓比為0.85，若按框架柱軸壓比為0.85設計，框架柱的截面面積很大，影響建筑平面布局。故框架柱采取規范提出的構造措施提高柱軸壓比限值至0.90設計。底部加強區剪力墻厚度為350mm，混凝土強度等級為C40，能夠滿足設計要求。

分析表明，即使高寬比為1.0的低剪力墻，同樣可具有良好的延性性能。相關專業人員對4片箍筋配箍特征值為0.1208～0.1502 的剪力墻試件進行了反復水平荷載作用下的抗震性能試驗。研究剪力墻約束邊緣構件配箍率、位移延性比、剪力墻高寬比等因素對剪力墻軸壓比限值的影響，并給出滿足具體延性需求、對應不同約束邊緣構件配箍特征值的剪力墻軸壓比限值。

4 框架剪力墻中連梁設計

框架剪力墻結構中框架與剪力墻、剪力墻與剪力墻的連接方式有鉸結與剛結兩種。鉸結為通過樓板連接來保證剪力墻與框架協同工作，剛結為通過連梁連接來保證剪力墻與框架協同工作。

剪力墻承受的地震樓層剪力，A.單片剪力墻底部承擔的水平剪力不宜超過結構底部總水平剪力的40% B.各樓層每道剪力墻承受的水平地震剪力不宜超過該樓層總剪力的30%C.各樓層每道剪力墻承受的水平剪力不宜超過該樓層總剪力的50%D.各樓層每道剪力墻承受的地震樓層剪力，不超過該樓層總地震剪力的1/3。當結構遭受小于其設防烈度的多遇地震時，整個結構處于彈性工作階段。當遭受高于其設防烈度的罕遇地震時，連梁形成塑性鉸消耗地震能量，結構剛度降低，自振周期加大，地震力降低，減輕結構破壞。連梁破壞有脆性的剪切破壞和延性的彎曲破壞，設計時應盡量避免連梁發生剪切破壞，讓連梁先屈服，形成塑性鉸。連梁設計時可以考慮以下措施：

（1） 對連梁的剛度進行折減，既保證了塑性鉸出現在連梁上，又減少其內力，滿足結構設計要求。高層建筑混凝土結構技術規程5.2.1規定，在內力與位移計算中，抗震設計的框架-剪力墻或剪力墻結構中的連梁可予以折減，折減系數不宜小于0.5。結構設計中，連梁折減系數一般取0.7。

（2） 若連梁剛度折減后內力還是過大，截面設計困難，可在連梁截面高度的中間開設水平通縫。

（3） 為保證連梁的延性，設計時應做到“強墻（柱） 弱梁”，“強剪弱彎”，截面尺寸應符合規范設計要求。

（4） 不宜將樓面主梁支承在連梁上。

5 結語

上綜所述，說明了如何對剪力墻結構進行合理選型以及優化布置就顯得非常重要。設計人員只有熟練掌握規范，具有明確的結構概念，根據結構受力的特點和破壞機理，充分利用剪力墻結構的優點，合理選擇結構布置形式，掌握正確計算分析方法，結合工程的實際背景進行設計，才能做出安全適用、技術先進、經濟合理的作品。