高层建筑框架剪力墙结构设计中的问题探讨

李洋

摘要：随着我国国民经济不断发展对高层建筑的需求愈来愈大且高层建筑体型日趋复杂，各种不同功能的用房综合在一起组成形态各异，高层建筑给结构设计增加了一定的难度，虽然已经有大量的研究成果，但是在实际设计中仍然存在着大量的问题有待进一步的解决。本文将对框架—剪力墙结构设计中涉及到的几个问题进行主要介绍。

关键词：高层建筑；剪力墙；结构设计

1、引言

在我国，大多数高层建筑都采用的是框架-剪力墙结构进行设计，该结构除了抗震性能优越，还能够更好的发挥建筑功能，其中，剪力墙结构对于整体结构的控制尤为重要，具有刚度大，整体性强，抗侧移能力强等特点，下面就主要介绍一下剪力墙结构在结构设计中的一些问题。

2、剪力墙的布置

剪力墙的平面布置一般原则是均匀、分散、对称、周边。分散原则是要求剪力墙片数不要太少，而且每片剪力墙刚度不要太大，连续尺寸不要太长， 使抗侧力构件数量多一些， 分散一些， 每片剪力墙的弯曲刚度适中，在使用中不会因为个别墙的局部破坏而影响整体的抗侧力性能，也不会使个别墙的受力太集中， 负担过重 而引起过早地被破坏，刚度过大的墙承担的内力也大，相应的基础处理难度增加， 同时也考虑到剪力墙相距太远，楼面刚度要求大， 很难满足要求，周边的原则是考虑建筑物抵抗扭转能力，便于保证刚度中心与平面中心相吻合；剪力墙布置在周 边对称位置，增加抵抗扭转的内力臂， 在不增加剪力墙面积的情况下， 提高抗扭转能力。剪力墙布置的位置应设在平面形状变化处， 平面形状变化处；角隅、端角、凹角部位往往是应力集中处，设置剪力墙给予加强是很有必要的， 在高层建筑的 楼梯间，电梯间，管道井处，楼面开洞严重地削弱楼板刚度， 对保证框架与剪力墙协同工作极为不利。因此， 在工程设计中用钢筋混凝土剪力墙来加强这些薄弱端 部， 如楼梯间，电梯井道处， 竖向管道井等是十分有效的。

3、剪力墙合理数量的确定

剪力墙的合理数量按许可位移决定 ， 按高层建筑规范中一般装修材料 ， 框架—剪力墙结构顶点位移与高之比 U/H 不宜大于 1/700，装修要求较高时 U/H 不宜超过 1/850， 在满足这个要求的前提下 ， 增减剪力墙的数量。用结构自振周期校核剪力墙布置数量是否合理 ， 因为从地震作用本身来分析 ， 剪力墙结构刚 度 小 ， 地震作用小 ， 位移限制能宽松的满足 ， 但这种结构在工程上有可能不很合理 ， 结构的自振周期有可能不在合理范围内， 结构自振周期的合理范围大致在：

T1=（0.09- 0.12）NS

式中： NS——楼层数

剪力墙数量多导致框架—剪力墙结构刚度就大一些 ， 地震时周期短地震力也加大一些 ， 材料耗量增大。日本震害调查表明 当每 m2 楼面平均剪力墙长度少50mm长时， 震害严重； 在 50-150mm 之间时 ， 震害中等 ； 长150mm 以 上 ， 震害轻微 ， 目前我国尚无这方面的成熟经验， 设计中可根据工程具体情况，建筑物高度、地区设防烈度及参考上面方法取值。

4、剪力墙肢截面短肢分类

按墙肢截面高度与厚度之比 ， 剪力墙墙肢可分为一般剪力墙 、短肢剪力墙、超短肢剪力墙及柱形墙肢。一般剪力墙的墙肢截面高厚比大于 8， 短肢剪力墙的墙肢截面高厚比为 5～8， 当墙肢截面高厚比在 3～5 之间时为超短肢剪力墙 ， 墙肢截面高厚比小于 3 时为柱形墙肢。一般剪力墙墙肢较长， 抗侧刚度大， 能承受很大的水平及竖向荷载， 因此无论是整截面墙还是整体小开口墙及联肢墙的墙肢都应优先布置一般剪力墙。短肢剪力墙因墙肢较短， 有利于住宅建筑布置， 可以减轻结构自重 ， 应用比较广泛， 但其抗震性能较差， 地震区 应用经验不多 ， 可用于整截面墙或整体小开口墙及联肢墙的墙肢中 ， 考虑到高层建筑的安全， 其数量不宜过多， 规范对其有严格的限制。因此 ， 在结构设计中， 应多布置一般剪力 墙 ， 少量采用短肢剪力墙， 如有可能尽量不用超短肢剪力墙及柱形墙 肢 。但一般剪力墙也不是墙肢越长越好， 当墙肢高长比 H /hw 或剪跨比大于 2 的一般剪力墙 ， 称为高墙 ， 其受力状态为 弯剪型和弯曲型 ， 其破坏为弯曲破坏， 属于延性破坏。墙肢高长比 H /hw 或剪跨比不大于 2 的， 在水平地震作用下的破坏模式或为剪切破坏，或为剪弯破坏 ， 很难避免出现剪切斜裂缝， 尤其H /hw≤l 或剪跨比小于 l 的墙肢， 称为矮墙 ， 其破坏均为剪切破坏， 类似短柱， 属于脆性破坏， 在高层建筑中严禁采用。对于矮墙及中矮墙可通过开洞分成若干墙段 ， 每个墙段的高长比大于 2， 墙段可以是一般剪力墙， 也可以是联肢墙， 各墙段间宜设置弱连梁连接。

5、框架-剪力墙中连梁设计

框架-剪力墙结构中框架与剪力墙、剪力墙与剪力墙的连接方式有铰结与刚结两种。铰结为通过楼板连接来保证剪力墙与框架协同工作，刚结为通过连梁连接来保证剪力墙与框架协同工作。在铰结体系中，由于没有考虑连梁的约束作用，使得楼板作用显著，要保证剪力墙与框架协同变形和工作，楼板必须绝对刚性。在刚结体系中，连梁对墙和柱都会产生约束，连梁将承担着较大的剪力和弯矩，约束作用明显，并可以与楼板一同作为连接构件，传递弯矩、剪力、轴力。当结构遭受小于其设防烈度的多遇地震时，整个结构处于弹性工作阶段。当遭受高于其设防烈度的罕遇地震时，连梁形成塑性铰消耗地震能量，结构刚度降低，自振周期加大，地震力降低，减轻结构破坏。但由于连梁跨高比小，两端连接的墙或柱刚度差异较大，连梁变形产生较大的内力而破坏。连梁破坏有脆性的剪切破坏和延性的弯曲破坏，设计时应尽量避免连梁发生剪切破坏，让连梁先屈服，形成塑性铰。连梁设计时可以考虑以下措施：（ 1） 对连梁的刚度进行折减，既保证了塑性铰出现在连梁上，又减少其内力，满足结构设计要求。高层建筑混凝土结构技术规程 5. 21 规定，在内力与位移计算中，抗震设计的框架 - 剪力墙或剪力墙结构中的连梁可予以折减，折减系数不宜小于 0. 5。结构设计中，连梁折减系数一般取 0. 7。（ 2） 若连梁刚度折减后内力还是过大，截面设计困难，可在连梁截面高度的中间开设水平通缝。（ 3） 为保证连梁的延性，设计时应做到“强墙（ 柱） 弱梁”，“强剪弱弯”，截面尺寸应符合规范设计要求。（ 4） 不宜将楼面主梁支承在连梁上。

6、结论

合理的搞好框架- 剪力墙结构的设计，将直接影响到建筑物的安全使用与技术经济指标的高低。在结构设计初步阶段，剪力墙数目的合理确定，不但可以减少大量重复工作的问题，还可以达到经济的目标。

参考文献

[1]中华人民共和国行业标准.高层建筑混凝土结构技术规程

[2] 赵西安 钢筋混凝土高层建筑设计 第二版 北京中国建筑工业出版社