浅析民用建筑框架剪力墙结构设计

刘军

摘要：随着我国社会经济的飞速发展和城市化建设进程的加快，尤其是高层建筑的与日俱增和社会对抗震要求的逐渐重视，框架剪力墙结构在民用建筑中已经得到了越来越广泛的应用。本文针对民用建筑的框架剪力墙结构设计进行了浅要的分析。

关键词: 民用建筑；框架剪力墙；结构设计

一、引言:

随着我国社会经济的飞速发展和城市化建设进程的加快，尤其是高层建筑的与日俱增和社会对抗震要求的逐渐重视，框架剪力墙结构在民用建筑中已经得到了越来越广泛的应用。与框架结构相比，框架剪力墙结构中和了框架与剪力墙结构的优点，适用建筑的高度更大，使用舒适度更高，不仅增加了建筑面积，而且抗震性能也更好。本文针对民用建筑的框架剪力墙结构设计原则进行了浅要的分析。

二、民用建筑的剪力墙结构设计

1、合理的结构布置

所有民用建筑的结构布置都应尽可能遵循简单、规则的原则，保证结构的质心与刚心相一致。而对于框剪结构来说，剪力墙合理数量的意义是确定最小限度剪力墙的刚度，使框剪结构的顶点位移恰能满足规范规定的限值。例如：在底部框架剪力墙结构中，剪力墙属于低矮墙，且其抗剪刚度相对较大，所以如果平面形式复杂、布置的墙肢较长，就很容易出现受力过于集中、局部刚度过大的现象，甚至往往出现只布置极少的剪力墙就能满足上下层的抗侧刚度比限值的假象。所以剪力墙宜均匀布置在建筑物的周边附近、楼梯间、电梯间、平面形状变化及恒载较大的部位，剪力墙间距不宜过大，结构两主轴方向均应布置剪力墙。满足抗震设计时，剪力墙的布置宜使结构各主轴方向的侧向刚度接近的规范要求。

2、建筑高度和层数要求

根据资料和研究证明，框架剪力墙房屋的震害将随着楼层数量的增加而加剧，所以规范对框剪结构的建筑高度和层数的限值有着严格的要求。其中的建筑高度是指室外地面到檐口或主要屋面板板顶的高度，而半地下室则从室内算起。对于带阁楼的坡屋面则应算到山间墙的一半高度处。结构计算时，当地下室结构能承受上部结构屈服超强及地下室本身的地震作用，且地下室结构的侧向刚度与上部结构侧向刚度之比不小于2时，结构计算嵌固端可认为是地下室顶板。否则，向下一层考虑，直至下部侧向刚度与上部结构侧向刚度之比不小于2。

3、抗震要求

根据历次地震的记录，之所以底层框架剪力墙结构会发生严重破坏，究其原因就在于上部层间刚度与底层层间刚度比过于悬殊。而当地震作用集中到底层时，则因为较上部结构小得多的底层侧移刚度很容易造成非常突出且明显的底层弹塑性变形集中的现象。所以控制底层与上部侧移刚度比以及全落地剪力墙比率是非常必要的。对于不同的抗震设防烈度，抗震构造要求也有一定的区别。也可通过适当增加剪力墙数量，以满足剪力墙地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%的要求，降低框架柱的抗震等级，但框架柱所承担的地震倾覆力矩比率不小于20%。

4、底层框架柱网的设置

从结构经济性及其抗震性能来看，底层框架剪力墙结构是一种比较不合理的结构形式，然而由于当前我国许多民用建筑的使用功能需求，导致在高层旅馆、办公楼、商住楼设计时选择这一结构形式反而成为了最优方案。当上部为剪力墙结构，底层为剪力墙部分落地的框剪结构形式时，框架梁柱轴线中心对齐，且该底部框架结构的柱网间距不宜过大，一般要求控制在七、八米左右，并且框架梁上的悬墙数目也不应超过一道。从使用功能上来看，通常底框结构的民用建筑大都为商住楼，而该跨度对应的上部可分割为两开间，无论上部为办公楼还是住宅楼，上述跨度所对应的上部开间尺寸均足以满足非承重砌体结构所能实现的功能，从而可以避免转换大梁为次梁的情况发生。与此同时考虑到底部框架梁的横断面高度取值一般应控制在梁跨的1/5~1/8，梁截面宜取同一截面，不同大小跨度通过配筋来调整，适当增加板厚，以给上部结构提供一个坚实的底盘。

5、过渡层或转换层的设计

对于存在过渡层或转换层的框剪结构，其过渡层的剪力墙墙体承受地震的倾覆力矩和剪力最大，受力也最为不利。除此之外，由于在竖向均匀荷载的作用下，过渡层的剪力墙墙体处于拉剪或压剪的应力状态，而一旦有水平荷载作用时，过渡层的剪力墙墙体与普通的落地墙体相比，其水平承载力和抗裂性能都相应降低。具试验表明，在竖向和反复水平荷载的作用下，过渡层的剪力墙墙体的水平承载力大约会降低两到三成。而如果按落地墙体的方法来验算其水平承载力，当其托梁高跨比或竖向荷载较小时，就将会过高地估计过渡层剪力墙的抗震承载力，从而造成结构抗震的可靠性降低。因此过渡层应在每开间设置圈梁和构造柱，以形成弱框架体系，从而增强过渡层传递地震剪力的能力，并大大增加其延性和耗能能力。

6、连梁设计

框剪结构中仅有少量连梁，也是一种耗能构件，因此它的剪切破坏将对抗震产生一定的不利影响，并会使结构的延性降低。按弹性理论抗震力作用下连梁两端弯矩过大，在建筑限制连梁高度时，连梁截面无法承担计算出的内力。连梁与剪力墙连接部位刚度突变，应力集中两端很容易出现塑性铰。在设计过程中建议通过两次建模计算，来充分考虑塑性铰出现后结构内力重分布的影响。切忌人为加大连梁的纵筋，错误的认为这样可以满足其端部弯矩计算的要求，也不能单纯地认为加大箍筋就一定能保证其强剪弱弯的要求。因为当连梁不能满足其截面控制条件时，一味盲目地增加箍筋必然会导致连梁在其箍筋还未充分发挥作用时就发生剪切破坏。连梁截面的抗剪计算中，对于那些跨高比大于2.5的连梁，还应注意将其剪力设计值乘以相应的增大系数。

三、结语

只有合理的结构布置方案才能保证建筑结构的经济性和安全性，因此设计人员应当通过遵循规范的设计要求以及甲方的建筑使用功能需要，来选择合理的结构布置方案。在框剪结构设计中，剪力墙布置和调整过程就是一个逐步优化的过程，直到框剪结构的顶点位移恰能满足规范规定的限值，才能使建筑材料发挥最大的效能。提高概念设计能力是国家对结构设计人员提出的今后发展方向。

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