框架-剪力墻的應用與設計

郭培成

(廈門大學, 福建廈門 361000)

目前高層建筑的結構形式主要包括框架結構、框架-剪力墻結構、剪力墻結構、框架-核心筒、筒中筒、框筒、束筒、桁架筒結構等。近年來隨著超高層數量越來越多，高度不斷在上升，因此也出現了一些新的高層結構體系。如深圳平安金融中心，主體結構高度597 m，巨型框架-核心筒-伸臂桁架結構形式；上海中心大廈，主體結構高度574.6 m，巨型空間框架-核心筒-伸臂桁架結構形式。目前對于80～110 m的高層住宅或公共建筑，大多數采用框架-剪力墻結構或剪力墻結構。

框架結構的主要優點空間分隔靈活、自重輕、有利于抗震、節省材料，采用現澆混凝土框架時結構的整體性較好、延性可以充分發揮；其缺點是由于框架結構抗側剛度較小，整體抗側移能力較低(水平位移變形較大，不易滿足正常極限狀態的要求)，不宜應用于高度較高的建筑。剪力墻結構主要優點整體性好、側向剛度大、在水平力作用下側移小，由于沒有梁、柱等外露與凸出，建筑物內部比較平整、美觀；其缺點不能提供大空間、布置不靈活，整體結構延性較框架結構差。框架-剪力墻結構是由框架柱和剪力墻構件組成，共同整體承擔水平風荷載和地震作用，該結構兼有框架結構和剪力墻結構的優點，在辦公類、住宅樓、酒店等高層建筑中應用相當普遍?？蚣?剪力墻結構正好彌補上述兩種結構體系的缺點與不足，充分發揮了它們的優點。在結構的底部若干樓層，剪力墻的位移較小，剪力墻承受大部分水平力；上部樓層則相反，剪力墻位移越來越大，框架拉剪力墻按剪切型曲線變形。在20世紀最早的框架-剪力墻建筑結構是18層的北京飯店和26層的上海賓館。

1 工程概況

某居民住宅樓,位于城市郊區，地下室1層,層高為4.5 m，地上26層, 地上1層結構層高為5.5 m，2～26層結構層高均為3 m，結構總高度80.5 m,建筑總高度82.6 m，總建筑面積12 235 m2。鑒于該高度，參考JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》3.3.1條，最大適用高度120 m。抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.15g,地震分組第二組,基本風壓0.55(該結構高度超過60 m，屬于對風荷載敏感，在計算承載力極限狀態時時基本風壓應放大1.1倍，對于位移計算基本風壓仍保持不變), 結構體型系數1.4，基本雪壓0.25,建筑物抗震設防類別為丙類，場地類別二類，設計基準期50 a，結構安全等級二級，地基基礎設計等級為甲級，剪力墻和框架抗震等級均為二級。本結構采用結構整體計算，采用中國建筑科學研究院編制的PKPM系列SATWE (V3.1.6版)。本工程結構布置圖如圖1所示：關于7軸線對稱。

圖1 結構布置

2 框架-剪力墻結構的設計原理

2.1 協同工作原理

協同工作有兩種計算模型假定，分別是鉸接體系和剛接體系。鉸接體系是指墻肢之間沒有連梁或者連梁剛度很小，墻肢與框架柱之間也沒有連系梁；剛接體系是指墻肢之間有連梁或者墻肢與框架柱之間有連系梁相連，這些連系梁對墻肢和框架柱會起作用。由于本工程存在連系梁與連梁，并且梁的剛度較大，框架-剪力墻結構采用剛接體系。

2.2 內力分配原則

框架-剪力墻結構是有兩種變形性質不同的抗側力單元組成，通過剛性樓板協調變形連接起來共同承擔所有荷載。在豎向荷載作用下，按照各自的承載面積計算每榀框架柱與剪力墻內力；在水平風荷載或水平地震作用下，不能單純依據抗側剛度進行分配，而是必須采用協同工作方法得到側移和各自的水平剪力及內力。

3 計算指標

3.1 周期比計算分析

結構自振周期(基本周期)表示結構自身的性能。在地震作用下，結構扭轉反應越大或者扭轉周期越大，越不利于結構整體抗震。因此規范對結構扭轉為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期的比值進行了規定限制，一般情況下，高層建筑結構規定該比值不應大于0.9，其比值越小，扭轉作用就越小。周期比與位移比都是控制結構平面扭轉不規則的，往往在處理過程中，兩者可以共同來修改。本工程位移比最大值在Y方向，最大值為1.31；周期比0.88，盡管周期比未超過允許值，但該值越大反應扭轉效果越大。通過調整四周外側Y方向剪力墻的剛度以及內部豎向抗側力構件的剛度布置，最終位移比最大值降到1.23；第一振型、第二振型為平動，第三振型為扭轉，周期比為0.77，滿足合理的指標結果，結構整體抗扭效果明顯得到改善。

3.2 地震作用下傾覆力矩計算分析

JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》規定，在抗震設計的框架-剪力墻結構，應根據在規定的水平力作用下，結構底層框架部分承受的地震傾覆力矩與結構總地震傾覆力矩的比值，確定相應的設計方法。當框架部分承受的地震傾覆力矩不大于結構總地震傾覆力矩的10 %時，表明框架柱的剛度太小，無法實現框架與剪力墻的協同工作，按剪力墻結構進行設計；當框架部分承受的地震傾覆力矩大于結構總地震傾覆力矩的10 %但不大于50 %時，按框架-剪力墻結構進行設計。在工程設計過程中，大多數情況該指標建議控制在20 %～30 %左右，過低過高，都會影響到兩者的剛度分配、剪力分配以及協同工作的效果。本工程在初步計算中，框架部分在地震作用下，底部傾覆力矩在Y方向占有比例為37 %，X方向26 %(基本符合一般工程的要求)，處理的方向結合周期比、位移比指標控制共同完成。加大外側Y方向剪力墻的剛度，同時控制Y方向框架柱的截面大小，該指標經過計算處理，最后結果Y方向框架柱傾覆力矩占有比例下降到25 %，滿足工程要求。

3.3 地震作用下剪力分配

抗震設計時，框架-剪力墻結構對應于地震作用標準值的各層框架總剪力應符合下列規定：對應于地震作用標準值且未經調整的各層(或某一段內各層)框架承擔的地震總剪力不小于底部總剪力的20 %；若不滿足要求，則各層框架總剪力應取底部總剪力的20 %與1.5地震作用標準值且未經調整的各層框架承擔的地震總剪力中的最大值二者中的較小值。一般情況下，如果合理的設計框架與剪力墻的剛度，框架的剪力分配大致會在15 %～30 %之間，滿足工程的實際要求。本工程在初步計算中，X和Y方向均在35 %左右，經過調整剪力墻與框架柱的位置和剛度，最后兩個方向占有的剪力比例都在25 %左右，基本符合設計要求。

3.4 連梁內力、墻肢內力計算分析

連梁設計是在建筑物遇到地震發生時，連梁會將地震力進行分配化解，先受力而屈服，剪力墻的墻肢再受力屈服，這樣通過連梁的設計就達到了強墻弱梁、強剪弱彎的目的。按照多道設防的要求，剪力墻體是第一道防線，在基本抗震設防地震、罕遇地震下先于框架破壞。連梁的設計主要取決于剪力墻的洞口寬度和高度，控制結構中裂縫的出現，就要適當折減連梁的剛度，在不影響承受豎向承載荷載能力的前提下，允許連梁適當開裂，即對連梁剛度進行折減， 折減系數不宜小于0.5。由于連梁截面受彎、剪力較大，截面設計很困難，尤其跨高比較小的情況下，很難設計成延性構件。在工程上采用雙層梁，即300 mm×1 200 mm截面的連梁設計成兩個300 mm×600 mm，上下層分布，中間設置50 mm或100 mm間隙。這樣不僅有利于連梁不易出現受力過大，而且有效改善其延性和耗能。當雙肢剪力墻設計過程中，一邊墻肢出小偏心受拉時，則該墻肢可能會出現水平通縫而嚴重影響其抗剪能力和抗側剛度。由于水平和豎向荷載產生的剪力將全部轉移到另一個墻肢而導致另一墻肢抗剪承載力不足，剪力會在墻肢中重新進行內力分配，因此，墻肢的彎矩、剪力設計值應相應的增大而影響到其延性。

4 結論

(1)剪力墻構件設置應在豎向一直保持連續，避免中斷，出現剛度不連續；框架構件數量較多，為了保證結構的整體性、安全性，構件間的連接必須滿足相關構造要求。

(2)框架-剪力墻結構設計中，合理布置兩種不同豎向構件數量及位置，對剪力分配、結構抗扭轉、地震作用下傾覆力矩分配都會起到良好的效果。

(3)控制連梁與剪力墻的相對剛度，較好地實現強墻肢弱連梁、強剪弱彎原則。注意雙層連梁的處理以及控制好連梁的跨高比。