框剪結構受力特性及剪力墻用量計算研究

李佳澤++石昌文

摘 要：基于筆者多年從事建筑結構設計的相關工作經驗，以高層建筑結構設計為研究對象，研究探討了框-剪結構體系在高層結構設計中的應用，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-剪結構的水平作用效應問題，相信對從事相關工作的同行有著重要的參考價值和借鑒意義。

關鍵詞：框架 剪力墻 結構設計 受力

中圖分類號：TU398 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（b）-0013-02

1 框-剪結構在建筑中的應用思路

高層建筑是社會經濟發展和科學技術進步的產物。城市人口集中，用地緊張以及商業競爭的激烈化，促進了高層建筑的出現和不斷發展。在高層建筑結構設計中，水平荷載是設計的主要控制因素之一。分析水平荷載與結構體系的關系，根據建筑高度、尺寸和其他條件，選擇經濟而有效的結構類型和結構體系，便成為結構設計的首要問題。高層建筑的結構體系，主要有框架結構體系，剪力墻結構體系，框架-剪力墻結構體系（簡稱框剪結構體系），筒體結構體系和巨型（超級）結構體系等。這些體系的受力特點、抵抗水平荷載的能力、側向剛度和抗震性能等都各有不同。框架結構側向剛度差，抵抗水平荷載的能力較差，底部層間位移大容易引起非結構性破壞和次生災害，對抗震不利，但它具有空間大，平面布置靈活，立面處理豐富等優點。而剪力墻結構則相反，抗側力強度和剛度均很大，但平面布置不靈活，不適應大空間的要求。而框剪結構卻有框架結構與剪力墻結構兩者的優點，把兩種結構體系結合起來，在同一結構單元中同時采用框架和剪力墻結構，共同承受豎向和水平荷載，起到了取長補短的作用，因而它廣泛地應用于高層辦公建筑，旅館建筑等高層公共建筑中。

從我國高層建筑的發展情況來看，可以看到框剪結構在高層建筑中的應用是非常廣泛的。我國內地高層建筑從20世紀50年代開始自行設計和建造，20世紀50年代末在北京建成了一批高層公共建筑，其中就有較多的建筑采用了框剪結構，如民族飯店（14層），民族文化宮（13層）。其后在全國三十多個大中城市修建了一批高層旅館，辦公樓，公寓，住宅，其中不少工程采用了框剪結構，如北京飯店東樓（18層），上海大名飯店 （21層），上海賓館（27層），深圳商業中心（20層），北京香格里拉飯店（26層），南京市玄武飯店（主樓22層）等。

2 受力特性分析

框-剪結構體系的工程應用表明，框-剪結構是框架和剪力墻兩種結構的有機結合。通常情況下，框架是框一剪結構的主要豎向受力構件，而剪力墻是框-剪結構的主要抗側向受力構件，框架和剪力墻兩種不同的結構形式通過剛性樓蓋體系而協同工作，起到了相互間取長補短的作用。框架結構的變形特性具有剪切型的特點，位移越向上增長越慢，成內收形開口曲線。剪力墻結構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-剪結構中，框架和剪力墻之間通過平面內剛度無限大的樓蓋連接在一起共同抵抗水平力，結構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-剪結構中，剪力墻在下部樓層變形小，承擔了近80%以上的水平剪力，而在上部樓層，框架變形小，可以協助剪力墻工作，抵擋剪力墻的外拉變形，從而承受很大的水平剪力。所以，框-剪結構是框架和剪力墻兩種結構水平變形的有機協調，從而達到減少結構變形，增強結構側向剛度，提高結構抗震能力的目的，在結構設計中具有很強的適用性。

框-剪結構中框架、剪力墻的受力特性可以用結構剛度特性值，即框架剛度與剪力墻剛度的比值來表達。若忽略連梁約束和軸向變形的影響，有：

式中：為建筑總高度；為框架平均總剛度；剪力墻折算總抗側剛度。

工程實踐表明：

①過小，結構變形曲線呈彎剪型，即剪力墻用量過多，此時，結構剛度增大，自振周期縮短，地震力相應增加，結構延性降低，尤其對框架頂部幾層極為不利。一般說來，剪力墻數量增多對抗震有利，但超過必要限度也是不合理和不經濟的，為了使框架充分發揮作用，剪力墻剛度不宜過大，應使。

②過大，結構變形曲線呈剪彎型，即剪力墻用量過少，結構剛度較差，常不滿足變形要求，同時，框架受力過大，梁柱截面尺寸加大，導致不經濟，因此，剪力墻剛度不能過小，應使。

3 影響因素探討

框-剪結構中，剪力墻的布置和用量是由框架、剪力墻的受力特性并結合建筑物的功能、布置來決定的。因此，影響剪力墻用量的因素應主要從以下幾個方面加以考慮：

1）剪力墻的用量與框一剪結構的平面布置有關。剪力墻是框-剪結構中主要抗側力構件，一般按照“均勻、對稱、分散、周邊”的原則布置。

2）剪力墻的用量與結構自振周期密切相關。結構自振周期隨剪力墻剛度增大而變短，對于比較正常的框-剪結構，結構自振周期大致為：

式中：分別為結構第1、2、3自振周期；為建筑物總層數。

3）剪力墻用量與結構地震力大小直接相關。結構總水平地震作用隨剪力墻剛度的增大而加大，對于截面尺寸、結構布置都比較正常的結構，其底部剪力大約在下述范圍內：

七度Ⅱ類場地土：

八度Ⅱ類場地土：

式中：為結構底部地震剪力標準值；G為結構總重量。

當結構底部剪力小于上述數值時，宜適當增加剪力墻用量，提高結構剛度，適當增大地震力以保證安全；反之，地震力過大，宜適當減少剪力墻用量，以求得合適的經濟技術指標。

4）在確定剪力墻用量時，必須考慮框架剛度。框—剪結構中，框架和剪力墻是通過平面內剛度無限大的樓蓋來共同作用的，由于樓蓋在水平力作用下會有一定的變形，使剛度較小的框架承受的實際水平力較計算值大。此外，框架是框一剪結構抵抗地震力的第二道防線，有必要提高其設計地震力，結構設計時，應有必要的強度儲備。因此，在地震力作用下，要求框架剪力：endprint

式中：為全部框架柱的總剪力；為結構的底部剪力；為框架柱的最大樓層剪力。

當。時，說明框架抗剪剛度不足，應加大框架梁柱截面。當時，說明框架抗剪剛度過大，宜減少框架梁柱截面。

4 合理用量計算研究

框-剪結構中，剪力墻的用量應適當、合理，既能充分發揮框架的抗側能力，又能滿足結構抗震和變形的要求，這樣的結構才是較經濟和合理的。根據框-剪結構剛度特征值有：

所以：

式中：為剪力墻總剛度；為框架柱總剛度；為建筑物總層數；為建筑物層高；為框架結點轉動系數；底層柱，其中為框架結點梁柱線剛度比。

建筑平面確定后，根據構件剛度、強度和柱最大軸壓比限值要求，通過預估樓面荷載從而確定梁柱截面尺寸。因此框架柱總剛度、框架結點轉動系數便可算得。根據框-剪結構的受力特性，要求，這樣，把上述數據代入公式，便可求得所需剪力墻的總剛度從而求得剪力墻的合理用量。

5 豎向荷載問題研究

在高層建筑結構設計中，隨著建筑物高度的增加，豎向荷載的作用逐漸退居次要地位，而水平荷載作用則上升為主要的控制地位。然而，通過對上述兩幢框—剪結構建筑物的內力分析發現，框架在豎向荷載作用下產生的最大層剪力數值較大，水平位移值也較大。因此，在框-剪結構設計中，豎向荷載作用下的水平作用效應也應予綜合考慮。

1）應盡量減少豎向荷載的偏心作用對結構產生的不利影響。由于框架的軸向變形引起的水平位移與剪力墻彎曲變形引起的水平位移不一致，使框架和剪力墻之間存在著相互作用的水平力，從受力的角度分析，若忽略了豎向荷載所引起的框架與剪力墻間的水平力變化，對剪力墻來說是偏于安全的，而對于框架來說是偏于不安全的。

2）結構計算時，不同的加載模式對結構內力有一定的影響。在實際工程中，豎向荷載是逐層增加的，框架與剪力墻間的軸向變形差異，均在施工時逐層給予調整。而在結構電算時，如果將豎向荷載一次加在結構上，就會使得柱與剪力墻的軸向變形差異較實際情況增加，從而引起某些構件的內力與實際情況不符。因此，設計時應根據加載情況對構件截面及內力予以調整。

參考文獻

[1] 張毅.高層結構中剪力墻的構造要求及原因分析[J].科技資訊，2010（2）：30-31，33.

[2] 張旮，石中明.基于ETABS的某高層結構時程分析[J].工程建設與設計， 2010（3）：20-22.

[3] 張毅.高層結構中結構布置的原則及要求[J].科技創新導報，2010（1）：85-86.

[4] 凌育洪，陳慶軍，方小丹，等.某帶地下室托換結構的高層框剪結構設計[J]. 建筑結構，2010（4）：44-46.

[5] 朱榮延.簡析淮安某住宅樓工程剪力墻結構的設計[J].科技資訊，2010（6）：132，134.

[6] 于敬海，韓寧寧.外套增層結構體系抗震性能分析[J].工程抗震與加固改造， 2010（1）：25-29.

[7] 李培振，程磊，呂西林，等.可液化土-高層結構地震相互作用振動臺試驗[J].同濟大學學報（自然科學版）， 2010（4）：467-474.

[8] 梁自良.上部結構與地基基礎的共同作用[J].科技資訊，2010（8）：87-88.endprint

式中：為全部框架柱的總剪力；為結構的底部剪力；為框架柱的最大樓層剪力。

當。時，說明框架抗剪剛度不足，應加大框架梁柱截面。當時，說明框架抗剪剛度過大，宜減少框架梁柱截面。

4 合理用量計算研究

框-剪結構中，剪力墻的用量應適當、合理，既能充分發揮框架的抗側能力，又能滿足結構抗震和變形的要求，這樣的結構才是較經濟和合理的。根據框-剪結構剛度特征值有：

所以：

式中：為剪力墻總剛度；為框架柱總剛度；為建筑物總層數；為建筑物層高；為框架結點轉動系數；底層柱，其中為框架結點梁柱線剛度比。

建筑平面確定后，根據構件剛度、強度和柱最大軸壓比限值要求，通過預估樓面荷載從而確定梁柱截面尺寸。因此框架柱總剛度、框架結點轉動系數便可算得。根據框-剪結構的受力特性，要求，這樣，把上述數據代入公式，便可求得所需剪力墻的總剛度從而求得剪力墻的合理用量。

5 豎向荷載問題研究

在高層建筑結構設計中，隨著建筑物高度的增加，豎向荷載的作用逐漸退居次要地位，而水平荷載作用則上升為主要的控制地位。然而，通過對上述兩幢框—剪結構建筑物的內力分析發現，框架在豎向荷載作用下產生的最大層剪力數值較大，水平位移值也較大。因此，在框-剪結構設計中，豎向荷載作用下的水平作用效應也應予綜合考慮。

1）應盡量減少豎向荷載的偏心作用對結構產生的不利影響。由于框架的軸向變形引起的水平位移與剪力墻彎曲變形引起的水平位移不一致，使框架和剪力墻之間存在著相互作用的水平力，從受力的角度分析，若忽略了豎向荷載所引起的框架與剪力墻間的水平力變化，對剪力墻來說是偏于安全的，而對于框架來說是偏于不安全的。

2）結構計算時，不同的加載模式對結構內力有一定的影響。在實際工程中，豎向荷載是逐層增加的，框架與剪力墻間的軸向變形差異，均在施工時逐層給予調整。而在結構電算時，如果將豎向荷載一次加在結構上，就會使得柱與剪力墻的軸向變形差異較實際情況增加，從而引起某些構件的內力與實際情況不符。因此，設計時應根據加載情況對構件截面及內力予以調整。

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[7] 李培振，程磊，呂西林，等.可液化土-高層結構地震相互作用振動臺試驗[J].同濟大學學報（自然科學版）， 2010（4）：467-474.

[8] 梁自良.上部結構與地基基礎的共同作用[J].科技資訊，2010（8）：87-88.endprint

式中：為全部框架柱的總剪力；為結構的底部剪力；為框架柱的最大樓層剪力。

當。時，說明框架抗剪剛度不足，應加大框架梁柱截面。當時，說明框架抗剪剛度過大，宜減少框架梁柱截面。

4 合理用量計算研究

框-剪結構中，剪力墻的用量應適當、合理，既能充分發揮框架的抗側能力，又能滿足結構抗震和變形的要求，這樣的結構才是較經濟和合理的。根據框-剪結構剛度特征值有：

所以：

式中：為剪力墻總剛度；為框架柱總剛度；為建筑物總層數；為建筑物層高；為框架結點轉動系數；底層柱，其中為框架結點梁柱線剛度比。

建筑平面確定后，根據構件剛度、強度和柱最大軸壓比限值要求，通過預估樓面荷載從而確定梁柱截面尺寸。因此框架柱總剛度、框架結點轉動系數便可算得。根據框-剪結構的受力特性，要求，這樣，把上述數據代入公式，便可求得所需剪力墻的總剛度從而求得剪力墻的合理用量。

5 豎向荷載問題研究

在高層建筑結構設計中，隨著建筑物高度的增加，豎向荷載的作用逐漸退居次要地位，而水平荷載作用則上升為主要的控制地位。然而，通過對上述兩幢框—剪結構建筑物的內力分析發現，框架在豎向荷載作用下產生的最大層剪力數值較大，水平位移值也較大。因此，在框-剪結構設計中，豎向荷載作用下的水平作用效應也應予綜合考慮。

1）應盡量減少豎向荷載的偏心作用對結構產生的不利影響。由于框架的軸向變形引起的水平位移與剪力墻彎曲變形引起的水平位移不一致，使框架和剪力墻之間存在著相互作用的水平力，從受力的角度分析，若忽略了豎向荷載所引起的框架與剪力墻間的水平力變化，對剪力墻來說是偏于安全的，而對于框架來說是偏于不安全的。

2）結構計算時，不同的加載模式對結構內力有一定的影響。在實際工程中，豎向荷載是逐層增加的，框架與剪力墻間的軸向變形差異，均在施工時逐層給予調整。而在結構電算時，如果將豎向荷載一次加在結構上，就會使得柱與剪力墻的軸向變形差異較實際情況增加，從而引起某些構件的內力與實際情況不符。因此，設計時應根據加載情況對構件截面及內力予以調整。

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[8] 梁自良.上部結構與地基基礎的共同作用[J].科技資訊，2010（8）：87-88.endprint