框架-剪力墻結構抗震設計關鍵技術

高銘

（中交第一公路勘察設計研究院有限公司建筑設計院 陜西省西安市 710075）

1 框架-剪力墻的特點

1.1 框剪結構受力特點

框架-剪力墻結構又被稱為框剪結構，主要是用來抵抗外界的水平作用力，是目前我國在構建高層建筑物時，所廣泛采取的一種結構設計，為使建設功能得到滿足，建設過程可使用剪力墻結構布置方法形成自由空間，這樣結構的承載能力會得到改善，且承受載荷是由剪力墻和框架形成的結構來實現的。在此結構中為實現水平方向雙向受力，主軸方向須配置剪力墻。若僅在一個方向上設置剪力墻，會引起兩個方向抗震水平作用力不平衡。從而導致整體框剪結構扭轉。若在兩個方向同時設置剪力墻，發生地震時，如果部分區域出現損壞，但剩余部分仍具有足夠的承載能力和剛度，來承受更大地震危害達到抵抗地震的作用。

1.2 框剪結構在力的作用下的變形

框架結構中剪力墻的變形主要分兩種情況即：橫向上的彎曲變形與側向上的剪切變形。在其結構中，剪力墻靠下處位置變化較慢，橫向位置變化不大，對框架安全有所保證，若框架在剪力墻作用下向左移動，光看剪力墻單獨的橫向位置移動量要小于框剪的橫向位置移動，但比框架單獨橫向移動的位置大；在建筑物上部結構中，由于框架受力作用，假使墻會偏左移動，其移動量大于框架單獨的橫向位置變化，且要小于剪力墻單獨的橫向位置移動量。這樣在框架結構受力作用影響下，最終減少框架的橫向位置移動，使框架和剪力墻受力分布更加合理化。但由于框架在橫向上的剛度要小于剪力墻的剛度，其受到的剪切力分布也要小，而在受力變形的情況下，框架與剪力墻的剪切力分布承載量會隨著建筑物樓層的高度變化而不斷變化。

2 框架—剪力墻結構抗震設計關鍵技術

2.1 抗震設計原理

當發生地震時，建筑物破壞程度將受地震橫波與縱波影響。眾所周知，地震帶來的危害主要是地殼中能量將以振波形式傳遞到外界產生震動。當地震波與建筑物自振頻率相同時，形成共振，將會對建筑物產生更大的破壞。但建筑物的自身阻尼會在很大程度上影響地震波帶來的晃動，阻尼值設計的大小也能決定自身振動幅度的大小，阻尼值大，對地震波的吸收就較大，振幅就會大幅減小，對建筑物的破壞就會越小；相反阻尼值小，結果就會對建筑物破壞程度大。因此，在嚴格按照設計原則的前提下，可最大程度的加大建筑物自身阻尼，來吸收更多的地震能量，最終達到建筑物抗震的目的。

2.2 抗震設計原則

一項安全可靠的建筑物設計在遇地震時應達到“小震不壞、中震可修、大震不倒”的效果，才可以稱得上達到建筑物抗震的效果。因此，在進行框剪結構設計時，需要遵循以下抗震原則：①剪力墻的設計中結構應保持連續，不得有中斷；②框剪結構中構件數量較多、連接較復雜，因此為了保證結構的安全性構件間的連接必須可靠，保證其強度和延展性。

2.3 剪力墻的布置

（1）在發生地震時為了減小房屋的扭轉震動，房屋的剛度中心與質量中心應盡量接近，這就要求剪力墻在設計時應沿結構單元的縱、橫兩個方向設置，并應根據實際情況，通過對其長度和厚度的調整來做到分散、均勻、對稱。其次，應沿兩條以上的軸線布置間距不宜過小剪力墻。另外，最好沿結構獨立單元的周邊布置剪力墻以增強整個結構的抗扭能力。

（2）剪力墻的設置應貫通建筑物的豎向全高；在建筑物平面形狀呈凹凸狀，且較大時，在凸出部位周圍應設剪力墻；在建筑物樓梯口，電梯間等較大洞口等處的周圍兩側，為減少水平剛度的變化，應設置剪力墻。

（3）剪力墻的布置要盡量避免墻面有開大洞的位置，若避免不了墻面有大洞口時，墻面各樓層間的大洞應位于同一條垂直線上，即上下對齊，但要注意，洞口的面積占墻面面積的比值不應超過1/6，每個洞口的梁高不應小于層高的1/5，且要注意縱向上設置剪力墻不應集中布置在建筑物的兩端盡頭部位。

（4）在保證安全的大前提下，從成本角度看，剪力墻的厚度不應為不變的同一厚度，應為從下到上以50mm為級差逐級減薄；同時混凝土強度等級變化應與墻厚變化區分開。

2.4 剪力墻的數量

剪力墻的設置不是越多越好，要在符合經濟、安全、合理的情況下設置，需滿足以下條件：

（1）為了能夠使框架-剪力墻體系的結構特征凸顯出來，設計剪力墻承載地震彎矩值時，可按第一振型計算，其值不應小于總地震彎矩值的50，否則應按框架體系對待。

（2）我國地質情況復雜，對于多地震區域和少地震區域兩者來說樓層間最大位移和層高比的計算結果應當有所區分，前者一般要求不超過1：800 而后者不超 1：100。

（3）把結構重力載荷與地震作用效應結合起來后，對剪力墻來說，其邊框柱的鋼筋受力不會由拉力控制，按拉力計算出的豎向鋼筋量應小于按受壓狀態計算出的數量。剪力墻設置的多，雖然對抗震有利，但增加了剛度和使用的材料，既不經濟，對基礎設計也增加了困難。尤其是在框架-剪力墻結構設計中，對剪力墻有最低的限制，即使增加剪力墻，對抗震有好處，但從經濟角度考慮，會增加成本，因此，剪力墻的數量要合理。

3 工程實例

3.1 工程概況

某公共建筑地上樓層15層，地下樓層1層，地下室～2層層高5.5m，標準層高3.4m，普通層高5m。建筑抗震設防等級Ⅷ度，風壓0.40kN/m2，地基基礎設計甲級，建筑抗震設防丙類，建筑場地Ⅲ類，框架抗震二級，剪力墻抗震一級。

3.2 結構布置

設計基本原則：

根據設計方案來看1～2層層高為5.5m，層高較大，且空間大，因此，可以采用鋼筋混凝土框架-剪力墻的結構設計。

3.3 剪力墻的布置與設計

據《高層建筑混凝土結構技術規范》的規范標準，在負荷核定不變的前提下，選取平面較大的區域布置剪力墻，如電梯間平面，樓梯平面，這些地方要保證剪力墻的墻肢和剛度能滿足正比，因此，墻肢越長，吸收負載力越大，對墻體越不穩定，所以在實際中剪力墻不宜太長，且實際工程中可通過在剪力墻體上開孔，來降低其剛度，孔結構應上下對齊。

樓梯與豎井通道開洞及樓梯間地板剛度被嚴重削弱，因此不考慮樓梯板的支撐力，因此需用到剪力墻來做增加開洞位置的剛度，且要注意，需把剪力墻圍成筒狀樣式，這樣在樓梯間、電梯位置的結構，可保證其有能力抵抗扭轉，若想保持平面形狀中心和建筑物結構剛心一致，在設置剪力墻時，要保證剪力墻在建筑周邊成對稱的排列。

3.4 剪力墻的連梁設計

連梁設計的存在在建筑物遇到地震發生時，首先受到震動考驗，大多數情況下，連梁會將地震力進行分配化解，連梁會先受力而屈服，剪力墻的墻肢后受力屈服，這樣通過連梁的設計就達到了強剪弱彎的目的。在設計中，若想增強連梁的抗剪承載力，需要在參考整體結構的規律下，通過調整計算模式來進行數據調整。

3.5 整體計算結果

通過專業計算及結合實際情況來看，周期比、剪重比以及軸壓比和位移比等數據均滿足各項規范要求，同時在考慮到結構安全的大前提下，通過對原有結構布置的合理優化，另外，最大程度滿足建筑效果的情況下，做到對用鋼量的大幅降低，減少成本。

4 結語

安全可靠的建筑結構要在抵御地震等自然災害的過程中受到最小的損害就離不開框架剪力墻結構，而框架剪力墻結構設計的合理性又直接影響著建筑結構的最終抗震效果，同時影響著建筑結構的成本構成，是整個建筑結構設計的重中之重，又是難點部分，因此為了確保結構的可靠安全，在進行框架剪力墻結構的設計中應當充分考慮其抗震性設計。

[1]郭兆偉.高層框架剪力墻結構抗震設計的技術要點分析[J].建材技術與應用，2011（1）.

[2]傅學怡，邸博.基于有限基礎剛度的框架-剪力墻結構抗震設計[J].土木工程學報，2014（4）.