框架剪力墻結(jié)構(gòu)在化工行業(yè)建筑中的應(yīng)用

常夢(mèng)宇

（天津渤化工程有限公司，天津 300193）

1 概述

現(xiàn)在我國(guó)在建筑物規(guī)模體量上的增大和建筑高度的逐步增高，導(dǎo)致現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遇到的困難和問(wèn)題越來(lái)越多。 建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工中不能在實(shí)際操作中有任何的失誤和偏差，否則就會(huì)給整個(gè)建筑的安全帶來(lái)很大的問(wèn)題。 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中具有抗震性能好、抗側(cè)剛度大與側(cè)向位移小等特點(diǎn)，使建筑在今后的使用比其他的建筑形式更具有穩(wěn)定性和安全性，并且可以降低現(xiàn)場(chǎng)施工中的成本費(fèi)用。 本文分析了框架-剪力墻的概念和特性，對(duì)框架-剪力墻在化工行業(yè)廠區(qū)建設(shè)中的設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行了簡(jiǎn)要的解析。

1.1 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)概述

剪力墻就是在建筑內(nèi)的隔墻或者外墻的地方布置一道強(qiáng)度較高的鋼筋混凝土墻。 剪力墻對(duì)本體建筑物只產(chǎn)生重力的影響，但可以承擔(dān)建筑中所產(chǎn)生的水平剪力和彎矩，因?yàn)檫@些墻體的設(shè)計(jì)目的主要是為了承擔(dān)房屋或構(gòu)筑物因大風(fēng)或地震所引起的水平方向的力， 所以被稱為剪力墻。 框架-剪力墻的設(shè)計(jì)方式是指在普通的框架結(jié)構(gòu)中設(shè)置一定數(shù)量的鋼筋混凝土墻而形成的一種混合型的雙重結(jié)構(gòu)體系，這樣設(shè)計(jì)可以有效地控制建筑受到的水平力。 在建筑設(shè)計(jì)中采用這種組合型的結(jié)構(gòu)，建筑的性能不僅會(huì)具有剪力墻結(jié)構(gòu)抗剪性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，也會(huì)帶有普通框架結(jié)構(gòu)靈活性高的優(yōu)勢(shì)，使用這種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以更好地承擔(dān)起本身內(nèi)部的應(yīng)力荷載[1]。鋼筋混凝土是用作制造框架剪力墻的主要材料，這使它的承載能力顯著提高，并給建筑內(nèi)部空間帶來(lái)了穩(wěn)定性， 使結(jié)構(gòu)的整體呈剛硬性的特點(diǎn)，建筑的抗震性能也得到了顯著提升。 在高層建筑中加入框架-剪力墻結(jié)構(gòu)， 既能滿足大型化工廠區(qū)員工的辦公需求， 又節(jié)省辦公區(qū)域占地面積，也可以使內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加方正，還為業(yè)主室內(nèi)裝修提供了便利，從而滿足對(duì)于業(yè)主不同房間功能性的要求。

1.2 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)的區(qū)別

1.2.1 結(jié)構(gòu)形式不同

1）框架-剪力墻結(jié)構(gòu)屬于剪彎型變形。 對(duì)于框剪結(jié)構(gòu)， 由于兩種結(jié)構(gòu)協(xié)同工作變形協(xié)調(diào)，形成了彎剪變形，從而減小了層間相對(duì)位移比和頂點(diǎn)位移比，提高了結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度。

2）框架結(jié)構(gòu)的變形則是剪切型，上部層間相對(duì)變形小，下部層間相對(duì)變形大。 剪力墻結(jié)構(gòu)的變形為彎曲型，上部層間相對(duì)變形大，下部層間相對(duì)變形小。

1.2.2 受力特點(diǎn)不同

由于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻側(cè)向剛度比框架的側(cè)向剛度大得多， 在水平荷載作用下，一般情況下，約80%以上用剪力墻來(lái)承擔(dān)。 因此，使框架結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下所分配的樓層剪力，沿高度分布比樣均勻，各層梁柱的彎矩比較接近，有利于減小梁柱規(guī)格，便于施工。

2 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)在實(shí)際設(shè)計(jì)中的布置原則

2.1.1 最大適用高度

抗震設(shè)防烈度為6 度的地區(qū)，建筑最大適用高度為130m; 在抗震設(shè)防烈度為7 度的地區(qū)，建筑最大適用高度為120m；在抗震設(shè)防烈度為8 度（0.2g）的地區(qū)，建筑最大適用高度為100m；在抗震設(shè)防烈度為8 度（0.3g）的地區(qū)，建筑最大適用高度為80m；在抗震設(shè)防烈度為9 度的地區(qū)，建筑最大適用高度為50m。

2.1.2 確定房屋抗震等級(jí)

抗震設(shè)防烈度為6 度且建筑高度小于等于60m 時(shí)，框架抗震等級(jí)取四級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)取三級(jí)； 抗震設(shè)防烈度為6 度且建筑高度大于60m 時(shí)，框架抗震等級(jí)取三級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)取三級(jí)；抗震設(shè)防烈度為7 度且建筑高度小于等于24m 時(shí)，框架抗震等級(jí)取四級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)取三級(jí)； 抗震設(shè)防烈度為7 度且建筑高度25～60m 之間時(shí)，框架抗震等級(jí)取三級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)取二級(jí)；抗震設(shè)防烈度為7 度且建筑高度大于60m 時(shí)，框架抗震等級(jí)取二級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)取二級(jí)；抗震設(shè)防烈度為8 度且建筑高度小于等于24m 時(shí)，框架抗震等級(jí)取三級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)取二級(jí)； 抗震設(shè)防烈度為8 度且建筑高度25～60m 之間時(shí)，框架抗震等級(jí)取二級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)取一級(jí)；抗震設(shè)防烈度為8 度且建筑高度大于60m 時(shí)，框架抗震等級(jí)取一級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)取一級(jí)；抗震設(shè)防烈度為9 度且建筑高度小于等于24m 時(shí)，框架抗震等級(jí)取二級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)取一級(jí)； 抗震設(shè)防烈度為9 度且建筑高度25～60m 之間時(shí)，框架抗震等級(jí)取一級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)取一級(jí)。

2.1.3 在建筑物內(nèi)部應(yīng)采用雙向布置

在建筑內(nèi)部應(yīng)該設(shè)置不同方向的剪力墻，一般為橫豎雙向布置，從而避免剪力墻單向結(jié)構(gòu)布置導(dǎo)致建筑物整體結(jié)構(gòu)重心單側(cè)偏移。 當(dāng)剪力墻按兩個(gè)方向布置并相互連接時(shí)，縱墻可作為橫墻的翼緣，從而提高建筑在實(shí)際使用中承受各個(gè)方向的內(nèi)力強(qiáng)度。

2.1.4 外墻開洞應(yīng)采用拉通對(duì)直

拉通對(duì)直是指在設(shè)計(jì)建筑開孔時(shí)，其中窗戶及門等洞口上下對(duì)齊，在建筑物整體上形成了明確的連梁與各層墻肢之間的受力明確直觀，并且可以在設(shè)計(jì)工作中使計(jì)算變得簡(jiǎn)單明確減少錯(cuò)誤。 摩擦剪力墻和疊加錯(cuò)層墻不利于抗震，所以在日常設(shè)計(jì)中要盡量的避免此類設(shè)計(jì)。

2.1.5 豎向貫通

剪力墻應(yīng)垂直放置于建筑物的內(nèi)部并豎向貫通整個(gè)建筑高度，墻壁厚度和混凝土等級(jí)應(yīng)該在建設(shè)中隨建筑物的高度及規(guī)模進(jìn)行具體的調(diào)整， 具體操作可以減少部分墻肢來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 避免各層剛度發(fā)生變化整體上不統(tǒng)一，導(dǎo)致建筑物內(nèi)部應(yīng)力集中作用于結(jié)構(gòu)中其中的某一點(diǎn)，從而導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞和坍塌。

2.1.6 設(shè)計(jì)時(shí)要避免建筑物內(nèi)部應(yīng)力過(guò)大從而產(chǎn)生裂縫

因?yàn)榻ㄖ锝Y(jié)構(gòu)主梁直接布置在承載剪力墻之間的連梁上，這樣的強(qiáng)大的承載力有可能會(huì)導(dǎo)致樓面主梁端部約束達(dá)不到要求，從而使連梁本身剪切力受到的應(yīng)變較大，所以不要這樣進(jìn)行設(shè)計(jì)及施工，否則容易出現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)本身出現(xiàn)裂縫的現(xiàn)象。

總結(jié)：在我國(guó)施工標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，獨(dú)立墻的總高度與各截面高度的比值不得小于2 這個(gè)數(shù)值。在即將施行的新規(guī)范中對(duì)荷載取值以及荷載分項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行了修改， 并且設(shè)計(jì)時(shí)要了解剪力墻在建筑中受力和抗力的要點(diǎn)， 剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及施工應(yīng)該參照上方所述的幾個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)， 已達(dá)到減少建筑物在日常使用中發(fā)生結(jié)構(gòu)性損壞的目的。

2.2 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的連梁鋼筋配置

2.2.1 剪力墻墻身豎向鋼筋

首層的墻身縱筋長(zhǎng)度等于墻身內(nèi)的基礎(chǔ)插筋（由基礎(chǔ)厚度的不同可分為兩種情況）加上首層層高再加上伸入上層部分墻體內(nèi)鋼筋的搭接長(zhǎng)度（搭接的長(zhǎng)度取決于建筑物內(nèi)鋼筋的機(jī)械連接方式）[2]。

1）當(dāng)基礎(chǔ)厚度大于lae 時(shí)，基礎(chǔ)插筋長(zhǎng)度=lae+Max{6d，150}。

2）當(dāng)基礎(chǔ)厚度小于lae 時(shí)，基礎(chǔ)插筋長(zhǎng)度=基礎(chǔ)厚度-保護(hù)層+15d。

A. 中間層墻身豎向鋼筋長(zhǎng)度=本層層高-露出本層的高度+伸出本層樓面外露的長(zhǎng)度+與上層鋼筋連接部分。

B. 頂層墻身豎向的鋼筋長(zhǎng)度=本層層高-露出本層的高度-板厚+頂層錨固長(zhǎng)度。

墻身豎向鋼筋根數(shù)=剪力墻凈長(zhǎng)/間距+1 （墻身豎向鋼筋從暗柱、端柱邊50mm 開始布置）。

C. 當(dāng)剪力墻墻身有洞口時(shí)， 墻身豎向筋會(huì)在洞口上下兩邊截?cái)?，分別橫向彎折15d。

2.2.2 剪力墻墻身拉筋

1）剪力墻墻身拉筋長(zhǎng)度=剪力墻墻厚-剪力墻外側(cè)保護(hù)層+剪力墻內(nèi)部鋼筋彎鉤（彎鉤長(zhǎng)度=2×11.9d+2×d）

2）剪力墻墻身拉筋根數(shù)=剪力墻墻身墻凈面積/剪力墻墻身拉筋的布置面積

2.3 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)在使用PKPM 的設(shè)計(jì)范例

2.3.1 在計(jì)算機(jī)中使用PKPM 建模時(shí)， 按照軸線尺寸、設(shè)計(jì)信息以及荷載輸入建模，其中因?yàn)閷翘荽胺胖糜跇前逯虚g位置外部會(huì)比較美觀，但是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中按普通的開洞方式設(shè)置剪力墻及計(jì)算會(huì)有很多不便， 所以我們?cè)诖祟愒O(shè)計(jì)中可以先把樓梯窗的洞口分成上下兩塊， 洞口對(duì)齊置于樓板上下兩側(cè)， 這樣的話組裝在一起就可以形成樓梯的窗洞， 從而減少結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中計(jì)算的難度[3]。

2.3.2 剪力墻連梁可以用兩種布置方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以分為輸入普通梁方式和開洞方式。 其中按普通梁輸入布置，梁間荷載布置較方便，但兩端需添加節(jié)點(diǎn)導(dǎo)致不便， 采用挖洞方式的話，不需要添加節(jié)點(diǎn)，但添加荷載時(shí)較不便。 在實(shí)際設(shè)計(jì)中選用哪種布置方式進(jìn)行設(shè)計(jì)可以看剪切變形的具體變化。 剪切變形的變化大，在實(shí)際設(shè)計(jì)中可以采用開洞方式，剪切變形的變化小，在實(shí)際設(shè)計(jì)中則可以采用輸入梁方式。 具體數(shù)值可參考連梁的跨高比來(lái)進(jìn)行選擇。 跨高比＞5，可以選擇輸入梁方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果跨高比≤5，則選擇開洞方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。 目前軟件還不能修改單個(gè)剪力墻的計(jì)算規(guī)則，如果某剪力墻與其他剪力墻計(jì)算規(guī)則不同時(shí)，只能手工計(jì)算相差部分在表格里輸入。 剪力墻的軸力也是要整體分析才能準(zhǔn)確知道的，軸力都不知道前怎么算軸壓比？ 墻肢的長(zhǎng)短要看整體分析的側(cè)剛分布狀況來(lái)進(jìn)行調(diào)整的，不是根據(jù)軸壓比和配筋來(lái)定墻肢的長(zhǎng)短的。

2.3.3 在剪力墻上設(shè)置挑梁，1）順著剪力墻在剪力墻端向外伸出的。 挑梁的縱向鋼筋可順著剪力墻直錨，不宜彎錨進(jìn)剪力墻的邊緣暗柱；2）垂直于剪力墻在剪力墻端向外伸出的又有兩種可能，①挑梁的縱向鋼筋可彎錨進(jìn)剪力墻的邊緣端柱（不可以是剪力墻的邊緣暗柱）；②挑梁是框架梁的外伸懸挑， 此框架梁以剪力墻的邊緣端柱作為端支座，此時(shí)，挑梁的縱向鋼筋應(yīng)拉通框架梁支座負(fù)筋，不應(yīng)彎錨進(jìn)剪力墻的邊緣端柱。 關(guān)于錨固長(zhǎng)度的計(jì)算，一樣服從規(guī)范關(guān)于受拉鋼筋錨固的規(guī)定，沒有例外，即直錨LaE、彎錨≥0.4LaE 加上15d。 其中，LaE 查11G101-1 第53 頁(yè)表； d 為縱筋直徑。

3 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用于化工行業(yè)建筑中優(yōu)缺點(diǎn)

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)可以使空間使用更加靈活，能夠滿足不同建筑功能的要求，并且它的剪力墻又具有相當(dāng)大的剛度，有效的結(jié)合了框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，是兩種結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)。 剪力墻在下層結(jié)構(gòu)中的位移較小，剪力墻承受大部分的水平力，然而在上層結(jié)構(gòu)中，剪力墻位移偏大，而框架的位移則有內(nèi)收的趨勢(shì)，框架部分除了負(fù)擔(dān)荷載產(chǎn)生的水平力外，還額外負(fù)擔(dān)了把剪力拉回來(lái)的附加水平力，剪力墻不但不承受荷載產(chǎn)生的水平力，還因?yàn)榻o框架一個(gè)附加水平力而承受負(fù)剪力，所以，上層結(jié)構(gòu)即使外荷載產(chǎn)生的樓層剪力很小，框架中也出現(xiàn)相當(dāng)大的剪力[4]。 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻可以單獨(dú)設(shè)置， 也可以利用電梯井、樓梯間、管道井等墻體。 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)能夠更有效合理的靈活利用使用空間，滿足業(yè)主不同使用需求， 最大化的利用空間結(jié)構(gòu)，因此更適用于大型化工廠區(qū)中的高層辦公樓等建筑。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)， 隨著全世界科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)科學(xué)技術(shù)的認(rèn)識(shí)越來(lái)越深刻。 在新材料、新算法等設(shè)計(jì)的不斷更新變化中， 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)由于其柔性穩(wěn)定、整體性好、抗側(cè)剛度大、抗側(cè)力性能好等特點(diǎn)，可以有效靈活地改善建筑物內(nèi)部空間的利用，提高建筑物的承載能力，更有效地保證建筑物的安全， 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)是目前實(shí)際設(shè)計(jì)中采用的最廣泛的結(jié)構(gòu)方式之一。 然而從實(shí)際的工程建設(shè)現(xiàn)狀來(lái)看，還存在許多問(wèn)題和不足，還有許多實(shí)際性、操作性難題有待解決。 本文僅簡(jiǎn)述了在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，所需要的某些注意事項(xiàng)及設(shè)計(jì)方式方法，為在現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)中提供簡(jiǎn)要的思路及設(shè)計(jì)方向。