实例分析高层建筑剪力墙结构设计

王银军

摘要：本文首先从提出框架剪力墙结构布置特点出发，进一步探讨了该类型结构计算要点，最后通过结合工程实例，探讨该结构类型在工程中的应用，为同行提供参考借鉴。

关键词：实例分析；高层建筑；剪力墙；结构设计

剪力墙结构广泛应用的原因是在受力方面，剪力墙的刚度大，容易满足小震作用下结构，尤其是高层结构的位移限值。在地震作用的破坏下，其变形小，破坏程度低，可以设延性抗震墙，特别是大震时通过连梁和墙肢底部的塑性范围内的塑性变形，耗散地震能量。

1 框架剪力墙结构布置

1.1 双向抗侧力体系和刚性连接。框架—剪力墙结构中，剪力墙是主要的抗侧力构件。结构在两个主轴方向均应市置剪力墙，并应设计为纵、横双向刚接框架体系，尽可能使两个方向抗侧力刚度接近，除个别节点外，不应采用铰接。如果仅在一个主轴方向布置剪力墙，会造成两个主轴方向的抗侧刚度悬殊，无剪力墙的一个方向刚度不足且带有纯框架的性质，与有剪力墙的另一方向不协调，也容易造成结构整体扭转。主体结构构件间的连接刚性，目的是为了保证整体结构的几何不变和刚度的发挥；同时，较多的赘余约束对始构在大震下的稳定性是有利的。

1.2 框架—剪力墙结构是通过刚性楼、屋盖的连接，将地震作用传递到剪力墙，保证结构在地震作用下的整体工作的。因此，剪力墙之间的距离不宜过大，否则，两墙之间的楼盖会不能满足平面内刚性的要求，造成处于该区间的框架不能与邻近的剪力墙协同工作而增加负担。为了保证楼、屋盖的刚性，剪力墙之间无大洞口的楼屋盖长宽比不宜超过规范要求。当两墙之间的楼盖开大洞时，该段楼盖的平面刚度更差，墙的间距应再适当缩小。

1.3 楼板开洞处理。当建筑无可避免地采取楼板开洞时，则应尽可能避免在剪力墙两侧楼板全部开洞或开大洞，对剪力墙结构是如此，对框架—剪力墙结构更是如此。两侧楼板全部开洞的剪力墙，计算中可能认为它已发挥作用，但由于没有楼板的协同工作，水平力并不能有效地传递至此片剪力墙土，实际受力完全不是那回事，造成其他墙肢和框架柱实际受力比计算值大。同时应通过正确的计算分析，适当折减其抗侧力刚度。

2 结构计算分析要点

框架剪力墙结构的计算应考虑框架与剪力墙两种不同结构的不同受力特点，按两者变形协调工作特点进行结构分析。即使是很规则的结构，也不应将结构切榀，简单地按二维平面结构（平面框架和壁式框架）进行计算。不应将楼层剪力按某种比例在框架与剪力墙之间分配。框架剪力墙结构是复杂的三维空间受力体系，计算分析时应根据结构实际情况，选取较能反映结构中各构件的实际受力状况的力学模型。对于平面和立面布置简单规则的框架—剪力墙结构，宜采用空间分析模型，可采用平面框架空间协同模型，对布置复杂的框架—剪力墙结构，应采用空间分析模型。另外，对于框架—剪力墙结构由于填充墙数量较框架结构少，而比剪力墙结构多，因此其周期折减系数应选取介于两者之间。结合工程实践经验，对于一般情况下当填充墙较多时，周期折减系数可取0.7-0.8，填充墙较少时，周期折减系数可取0.8-0.9。

需要注意的是，随着建筑形式的多样化，框架校的数量沿竖向有时会有较大的变化，考虑到若某楼层段突然减少了较多框架柱，按结构基底总剪力Vo来调范柱剪力时，将使这些楼层的单根柱承担的剪力过大，这显然是不合理的，故《高规》规定允许分段进行调整，即当某楼层段柱根数减少时，则以该段为调整单元，取该段最底一层的地震剪力为其该段的底部总剪力；该段内各层框架承担的地震总剪力中的最大值为该段的Vfmax。在单片剪力墙的边框杆，墙平面内是墙体的组成部分，不再按框架柱考虑；墙的平面外边框柱属于框架框，支承框架梁并共同组成抗侧力结构。边框柱在墙平面内按墙计算确定纵向钢筋，平面外按框架柱计算确定纵向钢筋，并满足构造所需最小配筋率。特一、一、二级抗震等级的剪力墙，在底部加强部位的边框柱，尚应满足约束边缘构件的箍筋和纵向钢筋构造要求。

3 工程实例

某办公楼大厦地下3层（地下一层局部没有夹层）、地上由东、西两位高层建筑组成，东楼平面呈扇贝形，共18层，檐口高度74.0m；西楼平面呈矩形，共22层，搪口高度90.0m。总建筑面积约120000m2。主体结构平面柱网主要为9m×9m、9m×8m两种。

本工程主体采用框架—剪力墙结构。抗震设防烈度为8度，抗震设防类别为丙类，场地土为中硬场地土，场地类别为II类，建筑结构安全等级为二级，地基基础设计等级为甲级，地下室防水等级为二级。根据《建筑抗震设计规范》，剪力墙抗震等级为一级，框架抗震等级为一级。为有效地满足业主对建筑物室内净高保证2.8m的要求，综合比较后采用宽扁梁楼盖方案。本工程建筑布置给结构设计造成相当难度，因此结构整体计算在结构设计工作中显得更为重要。通过计算分析对结构布置进行了反复调整，选用了经济的构件截面尺寸。结构整体计算达到了以下三个目的：（1）根据建筑物的自振周期、位移及地震效应判断结构方案的合理性；（2）得出各构件的内力以及配筋，以判断构件截面的合理性；（3）根据结构内力分析判定结构受力的德弱部位，并在设计中采取加强措施。

东、西楼由于建筑物使用功能的需要，其剪力墙核心筒设置偏置一侧，并且在其他部位不允许设置剪力墙，造成剪力堵布置过于集中，建筑物的质心与刚心偏移较大，给结构设计、计算带来很大困难。经与建筑专业协商，在不影响使用功能的前提下，增加了剪力墙的数量（如将西楼靠走道一例的管道井外墙均调整为剪力墙，将东楼南北两端楼梯间四轴剪力堵延伸至轴线），同时调整了部分剪力墙的厚度（如将西楼南侧楼梯间外墙由400mm厚调整至600mm厚），通过结构布置改善主体结构的受力状态，提高结构的抗震性能及抗侧移刚度。

本工程结构整体计算采用中国建筑科学研究院编制的多层及高层建筑结构三维分析与设计软件SATWE，计算时考虑扭转藕联的影响。考虑模拟施工分层加载，振型数取18个，采用侧刚分析方法。计算结果表明，本结构整体刚度在X方向较好，Y方向稍差。两幢楼剪力墙在X方向承担了总倾覆力矩的80%以上，Y方向承担了60%以上；西楼在地震作用下Y方向顶点位移绝对值偏大，最大层间位移接近规范限位。计算结果还表明，东楼第5、7、9振型，西楼第7、9振型以扭转为主，说明虽然对剪力墙布置、数量、厚度进行了调整，但扭转效应仍不可避免，还应在设计中予以解决。总体来说各项结果均在正常范围以内，满足规范要求，并符合以下规律：（1）柱、剪力墙的轴力设计值均为压力；（2）柱、剪力墙基本为构造配筋；（3）梁基本无超筋，剪力墙、连梁均满足截面抗剪扭的要求。

4 结束语

框架剪力墙结构是在框架结构中设置一定数量的剪力墙而形成的双重结构体系，其在工程中的应用较为广泛，本文通过结合实践以及规范要求，总结出高层框架剪力墙结构设计结构布置，同时结合工程实例進一步探讨框架剪力墙结构的应用，为同行提供参考借鉴。

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