淺談少量剪力墻框架結構在設計中的具體應用

周 豐

(福州市建筑設計院 福建福州 350000)

引 言

鋼筋混凝土框架結構由于其靈活的空間分隔性，較好的經濟性，能就地取材等優點，在實際工程中得到廣泛應用，但有些框架結構，體型較為特殊，經試算不能滿足有關規范對于彈性層間位移角及位移比的要求，要加大梁柱截面較多才能實現體系位移的改善，經濟性差。此時在合適的部位設置極少量的剪力墻(通常布置在結構剛度較弱處或者樓、電梯間處)，則較為容易實現對結構位移的控制。然而，對于含少量剪力墻的框架結構，我國《高層建筑混凝土結構設計規程(JGJ3－2010)》[1]第8.1.3條僅做了一般性規定，沒有對具體的控制指標給予量化，使得施工圖設計、審查均無據可依。而《建筑抗震設計規范(GB50011—2010)》[2]第6.2.13條第四款中，也僅對框架部分地震剪力值的計算做出了規定。由此可知，現行規范對此類結構尚未有明確、系統的論述。本文結合筆者所做的工程實例，淺談少量剪力墻框架結構在設計中的具體應用。

1 對少量剪力墻框架結構的認識

設置少量剪力墻并沒有改變結構形式，是帶有少量剪力墻的框架結構，屬于一種特殊的框架結構形式，但仍是框架結構[3]。同濟大學結構工程與防災研究所程熙等人[4]的研究表明:”在框架結構中布置少量的剪力墻，結構的主體仍然是框架結構，無論是在承受豎向荷載還是提供抗側剛度的貢獻中，框架部分都占主要地位。”由于剪力墻較少，同時不是主要的抗側力結構，在風荷載或者地震作用較小(不高于多遇地震作用)時，剪力墻輔助提供其彈性剛度EwIw，使得設置少量剪力墻后的框架結構能滿足規范對框架結構的彈性層間位移角及位移比的要求。在設防烈度地震及罕遇地震時，基于剛度分配原則，剪力墻率先吸引了大部分的地震作用，使得剪力墻塑性開展，出現裂縫而剛度退化，不能成為第一道抗震防線;同時由于剪力墻自身的剛度大，這就決定了剪力墻(不管結構體系如何)不可能成為第二道防線，故剪力墻只需滿足“小震不壞”的要求。《建筑抗震設計規范(GB50011—2010)》[2]第6.5.4條注中也明確表明，少量剪力墻框架結構中剪力墻的抗震構造措施，與框架－剪力墻抗震構造措施不同。孟建軍[5]的研究表明:少量剪力墻框架結構中的剪力墻抗震等級，可取框架的抗震等級。而在罕遇地震時，大震作用下剪力墻開裂剛度退化，

圖1 一層結構平面布置圖

圖2 二層結構平面布置圖

使得框架和剪力墻之間的塑性內力重分布，進而讓框架成為主要抗側力構件。此時雖然整體結構剛度有所削弱，受到的地震作用及吸收的地震能量也隨之減少，但框架部分承擔的地震作用反而有可能增大，在設計計算時需引起足夠的重視，故對這類框架結構，建議必須先按純框架結構進行計算，再考慮按框架與剪力墻協同工作(即按框架－剪力墻結構)進行計算，最終進行包絡設計。

2 工程實例與分析

某辦公樓為框架結構，共五層，結構高度約為23.2m，工程抗震設防類別為丙類，位于福州市閩侯地區，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.1g，設計地震分組為第二組，三類場地，一層及二層結構平面布置圖如(圖1、圖2)所示，結構立面示意圖如(圖3)所示。

設計兩個方案進行比較研究，方案一:均布置普通框架梁柱。方案二:僅在一層和二層的1軸和7軸樓梯間處布置剪力墻(詳圖1及圖2)，其余部位均布置普通框架梁柱。方案一和方案二均采用PKPM軟件電算。

上述兩種方案經電算后，不同工況下最大層間位移角計算結果如(表1)所示，不同工況下最大層間位移與平均層間位移的比值計算結果如(表2)。

由表1可知，純框架方案和少量剪力墻框架方案的最大層間位移角都在Y雙向地震作用工況下，但兩者相比，加了少量剪力墻后，最大層間位移角由1/673降低至1/716，降低了6%。究其原因，由于設置了少量的剪力墻，提高了結構的抗側剛度，改善了結構的抗震性能，故使得最大層間位移角減小。河北工程大學的楊樹標教授等人[6]的研究成果表明:在框架結構中設置少量剪力墻是在結構體系層次改善抗震性能的措施，不僅能減小結構的層間位移角，而且可以改變結構的破壞機制，使框架結構真正實現規范要求的“強柱弱梁”的延性破壞機制。

圖3 結構立面示意圖

表1 不同工況下最大層間位移角

圖5 第2層少量剪力墻框架混凝土構件局部配筋簡圖

表2 不同工況下最大層間位移與平均層間位移的比值

由(表2)可知，純框架方案和少量剪力墻框架方案的最大層間位移與平均層間位移的比值(即位移比)都在Y－偶然偏心地震作用工況下，但兩者相比，加了少量剪力墻后，最大位移比由1.51降低至1.37，降低了9.27%。而位移比與扭轉效應有關，反映的是結構實際存在的扭轉量，設置了少量剪力墻，降低了結構的扭轉效應。究其原因，由(圖1)可知，本工程屬于長寬比較大的長矩形平面，當長寬比超過一定數值時，結構的扭轉效應便表現得比較明顯，故本工程采用純框架結構時，Y－偶然偏心地震作用工況下位移比不能滿足規范要求，結構抗震性能很差。鄭從立等工程師[7]的研究亦表明，在類似工程中，采用少量剪力墻框架結構，能減少結構扭轉效應，改善結構整體的抗震性能。

3 配筋比較

以第二層為例，截取方案二中剪力墻周邊的配筋結果與方案一中對應位置的配筋結果進行比較。方案一的第二層混凝土構件局部配筋簡圖如(圖4)，方案二的第二層混凝土構件局部配筋簡圖如(圖5)。

對比兩個方案的柱配筋，發現在設置了剪力墻后，剪力墻范圍附近的框架柱在剪力墻平面內方向的配筋減少。究其原因，是由于剪力墻自身平面內的剛度較大，吸引了較多水平力。對比兩個方案的梁配筋，發現梁配筋的變化規律與柱配筋的變化規律類似。兩種方案的配筋存在一定的差異，通過兩種方案的對比，也從側面反映了對少量剪力墻框架結構按純框架結構和按框架與剪力墻協同工作(即按框架－剪力墻結構)分別計算，包絡設計是必須的。

4 結論與展望

在實際工程中，應充分運用少量剪力墻框架結構的概念進行結構設計，準確把握結構體系及結構布置。筆者在此次工程實例的設計過程中，得到如下結論:

(1)少量剪力墻框架結構分析計算中除應考慮剪力墻與框架的協同工作，還應考慮按純框架結構進行計算，最后框架部分取兩種工況的包絡值進行配筋設計。

(2)僅需在結構底部幾層設置少量剪力墻(一般在樓電梯處)，便能提高結構抗側剛度，減小結構的層間位移角及位移比，降低扭轉效應，改善結構抗震性能。

對今后少量剪力墻框架結構的研究，筆者有如下展望:

(1)可通過試驗對剪力墻的剛度退化規律進行研究，分析少量剪力墻框架結構層間位移角與剛度退化的關系，并將其應用到之后的結構分析中。

(2)目前規范對少量剪力墻框架結構的彈性層間位移角限值尚未做出明確規定，可進行這方面的研究。

[1]JGJ 3－2010，高層建筑混凝土結構設計規程[S].

[2]GB 50011—2010，建筑抗震設計規范[S].

[3]朱炳寅.建筑結構設計問答及分析[M].

[4]程熙，周德源，薛志萍.含少量抗震墻的RC框架結構位移限值探討[J].結構工程師，2013，29(1):17－21.

[5]孟建軍.淺析少量抗震墻的框架結構的設計和運用[J].科技致富向導，2011，(23):362 －363.

[6]楊樹標，郭恩平，賈劍輝.設置少量剪力墻的多層框架結構破壞機制研究[J].煤炭工程，2012，(3):114－116.

[7]鄭從立，吳映棟，任光勇.少量剪力墻框架結構在設計中的應用[J].浙江建 筑，2011，28(9):13 －15.