高層建筑框架—剪力墻結構設計研究

賈長江 梁利生

摘 要：隨著社會經濟的快速發展，高層建筑逐漸成為現代建筑的發展趨勢。由于該結構形式抗側剛度大，可有效減少側移，且具有較好抗震性能。因此被廣泛應用于高層鋼筋混凝土建筑。為此，本文在充分了解剪力墻結構概況的基礎上，對高層建筑框架-剪力墻結構設計的幾點內容進行了分析與探究。

關鍵詞：高層建筑；框架-剪力墻結構；設計要點

一、剪力墻結構的概況

剪力墻結構是用鋼筋混凝土墻板來代替框架結構中的梁柱，能承擔各類荷載引起的內力，并能有效控制結構的水平力，是用鋼筋混凝土墻板來承受豎向和水平力的結構。高層結構的建筑大量使用這種結構。剪力墻截面有以下特點：墻肢長度和其厚度比要遠遠大于；承載力和平面外剛度都比較小；自身平面的承載力和剛度都比較大。在剪力墻結構設計中，墻即要承受沿其平面作用的水平剪力和彎矩，還要承受豎向壓力。墻體在彎矩、剪力和軸力的共同作用下，它受到的水平作用的時候就像懸臂深梁嵌固在基礎的底部。剪力墻在風荷載或者地震的作用下，一方面要滿足其剛度要求，另一方面還要滿足非彈性變形重復作用而出現的能量消耗、延性等要求，同時還要控制結構即使開裂也不會倒塌。剪力墻因為孔洞的問題受力狀況和特點都會不同，其變形狀態和內力分布都會發生變化。根據其開洞的情況可以分為實體墻、整體小開口剪力墻、雙肢或多肢剪力墻、壁式框架等。

二、框架-剪力墻結構中剪力墻的布置

剪力墻的布置一般原則是均勻、分散、對稱、周邊及均勻，分散原則是要求剪力墻片數不要太少， 而且每片剪力墻剛度不要太大，連續尺寸不要太長，使抗側力構件數量多一些，分散一些，每片剪力墻的彎曲剛度適中， 在使用中不會因為個別墻的局部破壞而影響整體的抗側力性能， 也不會使個別墻的受力太集中，負擔過重而引起過早的破壞，剛度過大的墻承擔的內力也大，相應的基礎處理難度增加，同時也考慮到剪力墻相距太遠，樓面剛度要求大，很難滿足要求，周邊的原則是考慮建筑物抵抗扭轉能力，便于保證剛度中心與平面中心相吻合。

剪力墻布置在周邊對稱位置，增加抵抗扭轉的內力臂，在不增加剪力墻面積的情況下，提高抗扭轉能力，剪力墻布置的位置應設在平面形狀變化處，即：角隅、端角、凹角，這些部位往往是應力集中處，設置剪力墻給予加強是很有必要的；高層建筑的樓梯間、電梯間、管道井處等的樓面開洞嚴重地削弱樓板剛度，對保證框架與剪力墻協同工作極為不利。因此，在工程設計中用剪力墻來加強這些薄弱端部，剪力墻的間距：現澆鋼筋混凝土樓蓋L/B=2～4 為宜；裝配整體式鋼筋混凝土樓蓋L/B=1～2.5 為宜，原則是建筑物愈高、抗震設防烈度愈高，間距取值愈小，剪力墻應沿建筑物全高設置，不得沿高度有突變，剪力墻應落地，剪力墻并應在兩個主軸方向組合部署成L 形、T 形或形成封閉的筒， 這樣可以提高剪力墻自身的剛度，且一片剪力墻的長度不宜大于8m，當超過時，應利用洞口分割成兩片墻，功能上不需要洞時，洞口可用不同的材料或輕質材料填充， 過長的剪力墻中央部分的鋼筋尚未到達屈服階段，墻端部的鋼筋早因變形過大而斷開破壞、工程具體情況、建筑物高度、地區設防烈度及參考上面方法取值。

三、框架-剪力墻結構設計要點

框架剪力墻結構具有較好的延性和耗能能力，是一種較為理想的抗震結構型式，對于框架 剪力墻結構，合理設計框架、剪力墻以及連梁，對框架剪力墻結構抗震能力是非常重要的，鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規程（JGJ3- 91）考慮了框架 剪力墻結構中剪力墻開裂后剛度降低， 使框架承受的水平荷載大于彈性分析結果， 則規定框架承受水平剪力不小于0.2V01 框架剪力墻結構進入彈塑性階段后，剪力墻上部彎矩增大，下部彎矩減小，反彎點位置下移，剪力墻擔負的剪力上、下部變化較大，中部變化較小，但是剪力墻設計控制內力變化不大，框架剪力墻結構屈服以后，結構的剛度特征值λ將改變，框架的最大剪力層轉移，如果屈服順序依次為剪力墻→框架梁→框架柱，則λ值增大，框架的最大剪力層下移；如果是框架梁先屈服，則λ值降低，最大剪力層上移，框架 剪力墻結構抗震設計中，應盡可能設置抵抗地震的多道防線，一般情況下，剪力墻作為第一道防線首先屈服，將框架設計作為第二道防線。因此， 要充分認識到框架在剪力墻屈服后增加的荷載效應，讓框架柱承擔豎向荷載的構件有充分的安全儲備， 并且針對第二道防線，框架結構作抗震驗算，總之，適當處理構件的強弱關系，使其形成多道抗震防線，是增強結構抗倒塌能力的重要措施。

四、合理分析計算結果

1、合理分析，正確簡化計算程序要求的計算，用TBSA 程序計算時，首先將鋼塔轉換成為等剛度、等質量的薄壁筒體與下面結構整體計算，然后，再按得到的內力另外進行鋼塔的設計，框架剪力墻結構中，剪力墻不落地時，形成框肢剪力墻結構，用TBSA 程序分析，先將計算洞口劃分為平面剪力墻或較簡單的L 形和I 形剪力墻，轉換層設托梁支承，用無柱連接點與上層剪力墻連接，當每片墻的支承柱數為3根或更多時，轉換梁的剛度要取得很大的高度，這種簡化便于整體分析， 但轉換層和上下相鄰層的內力和配筋運用另外的計算程序進行設計。鋼管混凝土、型鋼混凝土構件有按剛度相等的條件轉換成圓形或矩形截面的混凝土構件進行整體計算， 求得內力后再按有關規定對構件進行承載力設計。

2、分析計算機輸出結果是否正確，首先從周期、振型和地震力方面判斷，非耦連計算地震作用，其第一周期會在常規范圍內， 框架剪力墻結構T1=（0.08～0.12）NS （NS 為層數）；第二周期T2=T1（1/5～1/3）；第三周期約為T3=T1（1/7～1/5），如果相差太遠應考慮調整結構截面尺寸和剪力墻的數量， 使周期處于常規的范圍內，正確的計算結果振型曲線多為連續光滑的，且第一振型沒有零點，第二振型的零點在（0.7～0.8）H 高度上，第三振型的零點分別在（0.4～0.5）H 和（0.8～0.9）H 高度上，如果計算結果有異樣，應繼續分析查找原因，正常情況，底部總剪力也應在合理范圍內，7 度Ⅱ類場地底部剪力大約在總重量的1.5%～3%之間，8 度Ⅱ類場地大約在總重量的3%～6%之間視為正常。框架-剪力墻結構的位移在一般情況下，彎曲型與剪切型之間基本上是反S 型，接近于直接參考點的位移曲線，應上、下漸變，不應出現大的突變。

五、結束語

綜上所述，在高層建筑中，框架-剪力墻結構是較為常見的結構。它的應用范圍較為廣泛，如果設計得當，不僅能夠使高層建筑更加穩定，而且還能增強其防震功能。為了保證框架-剪力墻具有更高的安全保證，需要根據工程的具體特點進行設計。

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