淺談框架剪力墻結構的設計要點

田煦

(北京弘石嘉業建筑設計有限公司，北京100016)

淺談框架剪力墻結構的設計要點

田煦

(北京弘石嘉業建筑設計有限公司，北京100016)

框剪結構是在框架結構中設置一定數量的剪力墻而形成的雙重結構體系。通過變形特點和受力特點的分析，作為框剪結構設計的指導依據，逐條分點詳細說明，并結合振型曲線形象說明剪力墻布置引起剛度突變的不利結果。分析連梁的設計方法及雙連梁的設計原理，有效解決連梁超筋問題，并與工程實例相結合，最終總結出框剪結構設計需注意的要點，從而做出安全、經濟的優化設計。

框剪結構;變形特點;受力特點;雙連梁;自振周期

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.018

1 概述

框架-剪力墻結構，俗稱為框剪結構。主要結構是框架，由梁柱構成，小部分是剪力墻。墻體全部采用填充墻體，由密柱高梁空間框架或空間剪力墻所組成，在水平荷載作用下起整體空間作用的抗側力構件。適用于平面或豎向布置繁雜、水平荷載大的高層建筑。

由于框架-剪力墻結構結合了框架結構和剪力墻結構兩種體系的優點，既能為建筑平面布置提供較大的使用空間，又具有良好的抗側力性能，框架-剪力墻結構已經成為當代高層建筑設計普遍采用的結構形式。

框架-剪力墻結構也有其不足之處，因框架梁柱相較于剪力墻剛度較小，剪力墻更容易吸引地震力，故剪力墻部分很難通過計算，須將剪力墻厚度增加到很大才行，但是往往因為剪力墻的加厚會引起更加不均勻的地震力分配導致此部分剪力墻更加不利。

那么，在設計框剪結構之前，要先了解相較于其他結構形式，框架-剪力墻結構的自身特點，及其工作原理，以此作為實際工作中框架-剪力墻結構設計的指導依據。

2 框剪結構的特點

2.1 變形特點

在水平荷載作用下，框架結構的側向變形曲線以剪切型為主，而剪力墻的變形曲線則以彎曲型為主。[1]由于兩者是受力性能不同的兩種結構，因而兩者之間需要通過樓板來協同工作。由于樓板平面內剛度很大(計算中假定為無限剛性)，因此在同一樓板處必有相同的位移，這就形成了框剪結構特有的變形曲線，呈反“S”形的彎剪型變形曲線，如圖1所示。

由圖1可以看出，框架下部位移增長迅速，上部增長較慢，剪力墻則與之相反。在框剪結構下部，側移較小的剪力墻對框架提供幫助，墻把框架向左邊拉，框剪的側移比框架單獨側移小，比剪力墻單獨側移大；而上部，框架又可以對剪力墻提供支持，即框架把墻向左邊推，其側移比框架單獨側移大，比剪力墻單獨側移小。最終框剪結構層間相對位移比大大減小，結構側向剛度得到很好地提高。值得注意的是，在框架和剪力墻的協同工組中，樓板的面內剛度和整體性起了十分重要的作用，如果樓板開大洞，或樓板平面凹入過大或有較大的樓層錯層，造成樓板面內剛度急劇變化、整體性較差，都會大大影響框架和剪力墻兩者協同工作的效率。

圖1 框剪結構彎剪型變形曲線

2.2 受力特點

剪力墻的側移剛度遠大于框架，因此剪力墻分配到的剪力也將遠大于框架（一般情況下，約80%以上水平荷載由剪力墻來承擔）。且剪力墻在下部結構中側向位移趨勢小于框架，故剪力墻在一定程度上約束了框架結構的側向變形，水平荷載主要由剪力墻承擔；而在上部結構中，由于剪力墻側向位移逐漸加大并有超出框架部分的趨勢，故此時框架結構反而會承擔一部分約束剪力墻側向變形的附加力，因此，在上部結構中框架也承擔了很大一部分的水平力。由于上述變形的協調作用，框架和剪力墻的荷載和剪力分布沿高度在不斷調整。框剪結構中的框架底部剪力為零，剪力控制部位在房屋高度的中部甚至在上部，而純框架最大剪力在底部。框剪結構在水平力作用下，框架與剪力墻之間樓層剪力的分配比例和框架各樓層剪力分布情況隨著樓層所處高度而變化。所以對于高層框剪結構，要提高其抵抗側向變形的能力，即側移剛度，在實際設計中就體現為控制水平位移。

上述情況從計算結果數據中可以明確地看到：

從豎向剪力分配來看，框架結構對剪力的控制部位一般在建筑的中部或上部，而剪力墻的控制部位一般在建筑的底部。綜合兩種結構的框剪結構，其最大的層間位移一般在（0.4～0.8）H范圍內的樓層，以下是某框剪結構計算結果片段，X方向地震力作用下的樓層最大位移（見表1）。

表1 X方向地震力作用下的樓層最大位移

框架柱地震剪力百分比，如表2所示。

表2 X方向框架柱地震剪力百分比

結果顯示樓層越高，框架柱承擔的剪力越大；結構的最大層間位移角為16層，位于建筑的中間部分，與理論相符。

3 框剪結構設計需注意的問題

框剪結構中既有框架也有剪力墻，只要結構布置合理，可以很好地發揮兩者的優點，避開兩者的缺點。結合規范及以往設計經驗，我們應該在以下幾個方面予以注意。

3.1 剪力墻布置

在框剪結構布置中，應考慮到結構剛度的對稱性，按“均勻、分散、對稱、周邊的基本原則布置。在《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）第6.1.8條中，規定如下。

1）抗震墻宜貫通房屋全高。

在實際設計中，不宜出現剪力墻布置的突變，即不宜減少剪力墻的布置，只可適當變薄，但盡量避免剪力墻位置的變動，否則在突變樓層、位移及剪力墻受力會非常不利。這一點可以在振型曲線中體現，如果結構剛度沒有突變，則振型曲線是比較連續光滑的曲線，不會有大進大出和大的凹凸曲折出現。理想的振型曲線，在平動狀態下，第一振型無零點，第二振型在0.7～0.8H處有一個零點，第三振型在0.4～0.5H及0.8～0.9H處個有一個零點。如圖2所示。

圖2 振型曲線

所以，在實際結構設計中，應盡量避免減少剪力墻，宜全樓通高布置，這就需要在方案階段，密切與建筑專業溝通配合，爭取剪力墻的最佳布置方案。

2）樓梯間宜設置抗震墻，但不宜造成較大的扭轉效應。

眾所周知，在普通情況下樓梯間剛度較為脆弱，不管是砌體結構中要求樓梯間4角布置構造柱還是框剪結構中布置剪力墻都是對其剛度的加強，前提是，不能一味地將墻體全都布置在樓梯間，以免剛度過于集中過大地削弱外圍結構的剛度造成結構扭轉。

3）抗震墻兩端（不包括洞口兩側）宜設置端柱或與另一方向的抗震墻連接。

一般在框剪結構設計中，我們會在剪力墻每層的層頂增加墻頂暗梁，剪力墻不能形成筒狀結構時，均依附周圍框架柱建立，使剪力墻和框架更好地協同工作，使之形成連續、完整的抗側力結構。而且兩柱間整個柱距增加一段剪力墻比增加同等長度的多個墻垛有效得多，甚至增加墻垛對框剪結構的位移及剛度的調整不會出現較好的調節作用，故在框剪結構中，剪力墻四周宜有框架柱及梁形成一個邊框，主要是因為，邊框墻可以使斜裂縫向相鄰墻面擴展的現象得以避免，而且當墻板遭到破壞后，還可將其作為承重構件，起到承重的作用，在破壞過程中形成二級防護，對阻止結構徹底破壞起到一定的作用。

4）房屋較長時，剛度較大的縱向抗震墻不宜設置在房屋的端開間。

在水平力作用下，結構的外圈水平位移較大，若剛度較大的剪力墻布置在端開間，則在剛度越大吸收地震力越大的情況下，水平位移也會越大，對結構非常不利。對于每肢墻的高寬比需進行合理地控制。對于較長的剪力墻，墻中間宜設置洞口削弱其剛度，雙肢墻或多肢墻的設計,可以使出現在結構豎縫和洞口連梁處的裂縫和屈服部位得到有效地控制，同時還能夠降低其剛度，從而避免剪切破壞或者是底部墻體過早屈服現象的發生。

5）抗震墻洞口宜上下對齊，洞邊距端柱不宜小于300mm。

洞口上下對齊是承重墻結構的共同要求，包括砌體結構及剪力墻結構，放置洞口移動造成剪力突變從而引起破壞。洞邊距端柱不宜小于300mm則是為了端柱能較好地發揮作用。

3.2 連梁設計

框剪結構中的連梁，應允許其在大震作用中有一定的破壞從而保護剪力墻自身的安全，在實際設計中，尤其在地震烈度較大的地區，連梁超筋難以避免，但作為抗震的第一道防線，在計算過程中，連梁超筋仍需要給予重視[2]。在《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）第11.7.11條中，給出了通過增加對角斜筋及對角暗撐來增加連梁抗剪能力的一些構造要求，另外，在《全國民用建筑工程設計技術措施》（結構）附錄B中，也給出了剪力墻連梁超限時的設計建議。由于跨高比越小連梁的剛度越大其延性越小，在設計跨高比較小如趨近于1的連梁時，可在連梁高度1/ 2處設置水平縫，形成雙連梁。

材料力學中，截面中最大的彎曲剪應力在中性軸處，即沿截面中線形成剪力流，而雙連梁可視為兩個梁，下部梁受拉，上部梁受壓，形成一個附加的軸力，而該軸力形成的內力偶可視為雙連梁在其上下兩個梁中線形成的大小相等、方向相反的剪力流，從而對外力起平衡作用，改變抗剪承載力的受力狀況，增強了連梁的延性。如圖3所示。

圖3 雙連梁受力示意圖

3.3 控制結構自振周期

在實際結構設計中，在地震作用下有2個設計方向：（1）結構盡量做柔，以消耗地震力作用，（2）結構設計剛度較大，以抵抗地震力作用，不同的設計方向取決于具體項目的方案，應具體問題具體分析。可以說，框剪結構中并非剪力墻越多越好，墻體越多，厚度越大，剛度也就越大，自振周期也越小，吸引的地震力也就越多，如圖4所示。

從圖4可以看出，自振周期在0～0.1區間，地震影響系數呈線性快速上升趨勢，在0.1～Tg之間，達到最大，所以結構自振周期應避免出現在這2個區間內，應控制在Tg～5Tg之間，且在該區間內，隨自振周期增大，地震影響系數呈下降趨勢，地震力作用減小，結構也更易于通過計算。從下面的結構計算結果可以明顯看到。

用兩個實例來做對比，兩個工程均位于8度區0.2g，地震分組為第一組，特征周期均為0.35。

圖4 地震影響系數曲線

實例1：結構剛度大，自振周期偏小，地震力作用力大（見表3）。

表3 自振周期與結構剛度、地震力變化關系表（實例1）%

實例2：結構剛度適中，自振周期偏大，地震力作用減少（見表4）。

表4 自振周期與結構剛度、地震力變化關系表（實例2）%

結合2個工程實例，從結果可以看出，與理論相符。

4 結語

綜上所述，在框剪結構的設計中應注意以下幾點：

1）協調各構件的剛度及延性，在提高框架部分空間性能的同時有效地布置剪力墻。

2）在設計初期與建筑專業做好協調工作，使得剪力墻可以貫通建筑全高，并在建筑的樓電梯間、端部及角部布置適量剪力墻。

3）增加多道抗震防線及延性耗能機構。

4）學習并采用一些新材料、新技術來提高結構自身的抗震性能。

【1】韓淼，李守靜.設防水準對框架—剪力墻結構工程造價的影響[J].工程抗震與加固改造，2010(6):165-166.

【2】朱炳寅.對雙連梁的認識與設計建議[J].建筑結構，2008(11):138-139.

Discussion on Design Points of Frame-shear Wall Structure

Tian Xu
(Beijing Hongshijiaye Architectural DesignCo.Ltd.,Beijing100016,China)

The frame-shear structure is a dual structure system formed by setting up a number of shear walls in the frame structure.By analyzing the deformation and stress characteristics as a guideline for designing the frame-shear structure,it described in detail point by point,and explained the unwanted results of stiffness mutation by frame-shear wall arrangement,combined with the im age of the vibration curve.It gives another example of double beam design principle,and offers an effective solution to the problem of continuous beam&over bar.Based on the engineering examples,the main points in designing the frame-shear structure are summed up,in order to make safe,economic and optimal design.

frame-shear structure;deformation characteristics;stress characteristics;double beam;natural cycle

TU227

A

1007-9467（2016）08-0034-03

2016-08-04

田煦（1984～），女，北京人，工程師，從事建筑工程結構設計與研究。