框-剪結構空間協同工作機理及其結構抗震性能研究

馮宏東

（寧夏人防設計院，寧夏 銀川 750001）

0 引言

在當前高層建筑結構發展應用中，框架-剪力墻結構作為較為常用的一種結構型式，對其抗震性能和影響因素的研究具有重要的理論與工程實踐意義。對框架-剪力墻結構體系安全性能的研究分析日益完善，但是在結構內部構件與結構抗震性能和動力特性之間相互影響關系方面的研究還不是很多。

1 框架-剪力墻結構的受力及變形性能

框剪結構在目前的設計中大致有以下四種結構形式：（1）剪力墻與框架單獨布置，互不干擾；（2）將剪力墻嵌入到框架結構的柱跨內；（3）在單片抗側力結構中，不間斷布置剪力墻和框架；（4）上述兩種或三種結構的組合。

從受力特點來看，結構的變形為剪彎型，即下部結構的層間變形??；上部層間則變形較大。在承受水平作用力下，剪力墻結構的變形曲線為彎曲形，而框架結構則以剪切型變形為主，此時由于存在大剛度樓板的作用，兩種結構相互協調，促使整體結構的位移和變形呈現彎剪變化?？紤]結構的側向剛度，由于剪力墻剛度較大，故相對框架承擔更多的抵抗力，故而剪力墻受到的剪力也遠大于框架體系。其中，剛度特征值λ對框剪結構的受力和位移特性有深刻的影響，側移曲線的形狀與λ值有關。其中λ可由公式求得。λ為框架的抗推剛度與剪力墻抗推剛度的比值。

當λ的值很小時，剪力墻的變形起主要作用，框架的剛度很小，結構的位移曲線接近于剪力墻的變形曲線，呈彎曲型；當λ很大時，框架的剛度作用相對較大，墻起的作用較小，體系的位移曲線與框架的剪切型類似。當λ在2-6之間時，位移的曲線則介于框架與剪力墻的變形曲線之間，上部稍微帶剪切型，下部略呈彎曲型，從而整體呈現出彎剪變形，并使得結構上下層的層間變形更為均勻。

2 框架-剪力墻結構的協同工作機理

框架-剪力墻結構是雙重抗側力構件，由兩種變形性質不同的抗側力單元（剪力墻、柱）通過樓板的協調變形來共同抵抗水平荷載及豎向荷載的體系。在二者相互協同作用時，首先由于剪力墻的剛度遠大于框架的剛度，故而通常由剪力墻承擔大多數的受力荷載；其次，二者在分擔荷載的比例上是上下變化的，由它們各自的變化特點可知，框架結構的下部變形較小，而剪力墻的下部結構變形卻增大了，從而使剪力墻承擔更多的下部荷載，而框架分擔較少的部分。反之，在上部卻正好相反，剪力墻變形減小，而框架結構的變形卻相應增大，負擔的剪力值亦同時增大。故而，結構上下部所承擔的剪力更趨合理，使結構的側向剛度整體得到了提高。

協同工作的計算方法有兩種：計算機計算方法和手算的近似方法。計算機分析方法計算適用于結構平面和體型較規則的情況，框剪結構利用平面的抗側力結構的空間協同工作時；而手算的近似計算則是將結構內所有的剪力墻歸并為總的剪力墻，所有的連梁歸并為總連梁，所有的框架則歸并為總框架。協調工作的主要目的是為了解決總框架與總剪力墻之間的荷載分配問題，分別得到他們各自承擔的總內力，并求出結構的整體側向位移。但是不論哪種計算方法，都需在一些假定的條件下才得以順利進行。

①房屋整體體型規則，剪力墻的布置均勻對稱，各樓層質心與剛心相重合；假設樓蓋在自身的平面內剛度無窮大，使得任一樓層位置處框架與剪力墻的水平位移相等，且不考慮扭轉與平面外剛度對結構的影響，即為 uw＝uf。

②水平方向外荷載由剪力墻與框架結構共同分擔。

③框架與剪力墻的剛度隨高度的變化而均勻變化。在上述假定的基礎上，選擇合適的計算方法，對框架-剪力墻結構進行協同工作分析

3 框剪結構中剪力墻的布置原則

在框剪結構中，剪力墻被設計為主要的抗側力受力構件。在設計中，框剪結構應在X、Y兩個主軸方向同時設計一定數量的剪力墻作為抗側力構件，以增強結構的抗震抗扭曲能力；同時，主體結構中，構件之間除了個別節點外均不應采用鉸接；在結構的設計中，剪力墻與柱的中線宜重合布置，柱與梁的中線也宜重合設置；而若框架柱、框架梁間存在偏離時，應符合本規程6.1.3的規定。

在框架-剪力墻結構中，剪力墻宜布置邊緣約束構件，即：邊框梁和邊框柱。根據高層建筑規程的規定，布置剪力墻時宜符合以下幾個方面的要求。首先確定剪力墻的厚度：若建筑物所屬地區要求做抗震設計時，一級、二級抗震設防標準的剪力墻宜設置底部加強部位，規定其截面厚度不應該小于200mm，同時限值其厚度不小于層高的1/16；在三級、四級抗震設計時，厚度只需滿足不小于160mm，且不小于層高的1/20的要求即可。在設置邊框梁時，其寬度應與剪力墻的厚度相同，同時滿足結構與美觀的要求，而其高度則不低于剪力墻厚度的2倍。因此，設置一道合理的剪力墻，其厚度應同時具有結構的安全、合理、經濟等眾多特點。但應引起注意的是，通常底層的剪力墻由于直接接觸基礎'受地基基礎埋深的影響較大，故需加大其截面厚度。其次，合理布置剪力墻數量與長度'需滿足結構在地震作用下對層間位移角、對周期各結構要素的要求。這就需要對剪力墻和框架柱進行合理的配置設計，對兩者承擔的抗傾覆彎矩的進行最優的比例控制'只有在剪力墻所承擔的傾覆彎矩值大于框架值的50%時，才可以把結構確定為框架-剪力墻結構。而設計中，剪力墻的長度不宜過長，需要滿足高寬比不小于2的限值。

4 框架-剪力墻結構的抗震性能

4.1 提高剪力墻的抗震性

在設計的過程中，為了阻止斜向裂縫向鄰近的結構擴展，可以在剪力墻的周邊增加梁柱結構，形成帶有邊框的剪力墻結構，同時這些梁柱也可以在剪力墻受到破壞作用后代替剪力墻承受荷載。也可以采用控制合適的墻肢面積來增強剪力墻的抗震能力，此種方法是將墻肢的面積減小，利用多肢墻或雙肢墻來控制結構裂縫，并利用洞口處的連梁形成一個耗能構件，既能降低結構的整體剛度，又能避免結構在地震時過早的屈服。

4.2 提高框架的抗震性能

對框架結構來說，角柱是連接縱橫向框架的關鍵，想要增加結構的整體穩定性，就必須對結構的角柱進行加強設計，提高其抗剪能力。而在平面框架的外圍則增設一定數量的剪力墻，有效的提高框剪結構的整體性和其抵抗外荷載的剛度，減少在地震作用下整體體系的側向位移。

4.3 提高結構整體的抗震能力

在結構的整體設計中，要達到體系延性與剛度的協調統一，以滿足建筑的抗震要求。首先，要使結構達到總體屈服的效果，在框架-剪力墻結構的特定位置，就需配置一定數量的塑性鉸，促使結構在地震作用時具有良好的耗能性能。其次要平衡結構的承載能力和剛度，要綜合考慮建筑的基本情況，將建筑所處的地質情況，建筑高度，裝修等級等各項內容全部考，按照規范的最大位移限制，確定剪力墻的位置和數量，保證建筑的安全性與經濟性。

5 結束語

總之，把剪力墻結構中的部分剪力墻去掉而用框架代替，或在框架結構中的部分薄弱部位布置剪力墻，成為框架-剪力墻，既具有抗震墻的抗側能力，而且具有框架的自由靈活，抗震墻又不太多，地震力相對純剪力墻結構也較小，是高層建筑中極其重要的結構形式。

［1］張大權.高層結構設計中框架剪力墻應用研究[J].科技資訊，2010，30.

［2］梅文龍.高層框架-剪力墻結構剪力墻適宜高度分析[D].吉林:東北電力大學，2008.