高层建筑框架--剪力墙结构的设计特点及策略

张兆源

摘要：当今社会，随着设计手段和施工技术的提高和发展，高层建筑越来越多。不管是商业建筑、办公建筑，还是小高层民用住宅建筑，都较多的采用了框架-剪力墙结构。本文阐述了框架-剪力墙结构的受力特点及适用范围，具体分析建筑的框架-剪力墙结构的设计方式，计算时的参数选取，设计特点及策略，希望能给同行些许参考。

关键词：建筑框架；剪力墙；抗震；结构体系；结构设计

中图分类号：TU318文献标识码： A

随着社会的发展进步，人民生活质量的提高，城镇中建筑的使用功能越来越多元，商业、休闲、娱乐、居住等多种使用功能都可在一座建筑中体现出来。如今一座高层建筑中地下室和底部楼层（1～3层）拥有较大的平面布置、灵活自由的使用空间是发展商不二的选择。因为有较大的平面布置，带来的使用空间也在增大，这样就可以较好地解决：地下室尽量多停车问题、底部楼层适应现代商业对使用空间大尺寸的需要。框架结构无疑可以很好的满足上述使用功能要求，但单纯使用框架结构对高层建筑来说其抗震能力会下降。为了提高单纯框架结构高层建筑的抗震能力，适当在某些部位引入剪力墙，这样就形成了框架-剪力墙结构。

一、框架-剪力墙结构的受力特点及适用范围：

1.框架-剪力墙结构，广泛应用于高层办公建筑和公共建筑，也大量应用于高层旅馆建筑和居住建筑。

框架-剪力墙结构是由框架构成自由灵活的使用空间，来满足不同建筑使用功能的要求，同时又有足够的剪力墙，剪力墙具有相当大的刚度，从而使结构具有较强的抗震能力：大大减少了建筑物的水平位移，避免填充墙在地震时严重破坏和倒塌。所以在有抗震设计要求时，宜优先采用框架-剪力墙结构代替框架结构。

2. 框架-剪力墙结构的受力特点。

（1）水平力通过楼板传递分配到剪力墙和框架上。

（2）水平力产生的剪力在建筑底部主要由剪力墙承担，因剪力墙在水平力作用时，底部变形小，刚度大，承担剪力多。但到建筑顶部时剪力主要由框架承担，即框架在建筑顶部变形小。

由于框架-剪力墙的协同受力：在结构底部框架侧移（变形）减小，在结构的上部剪力墙侧移减小，侧移曲线兼有这两种结构的特点，成为弯剪型。弯剪型变形曲线的层间变形沿建筑高度比较均匀，既减小了框架也减小了剪力墙单独抵抗水平力的层间变形，适合用于较高的建筑。可以说，框架-剪力墙结构综合了框架结构和剪力墙结构的优点。框架-剪力墙结构可以设计成双重抗侧力体系，一般情况下，抵抗地震作用时，剪力墙作为第一道防线，框架为第二道防线，形成多道抗震设防结构。

3. 框架-剪力墙结构中剪力墙的数量。

剪力墙的多少直接影响抗震能力，震害调查发现剪力墙数量增加震害降低。日本的福井和十胜冲地震中，建筑每平方米楼面剪力墙长度少于50㎜时，震害严重;多于150㎜时，破坏轻微，甚至无害。

但剪力墙过多也会造成不经济。因剪力墙增多，结构刚度增大，自振周期缩短，地震作用加大，造成结构内力增大，结构材料用量增加，基础造价也相应提高。

从上述框架-剪力墙结构的受力特点可以看出，框架结构和剪力墙结构的各自优点，都能在框架-剪力墙结构中明显表现出来：即解决了高层建筑对大尺度使用空间功能的需求，又保证了高层建筑具有较强的抗震能力。随着建筑功能多元化需要，设计人员设计水平和技术手段的提高，框架-剪力墙结构在高层建筑应用越来越普遍。

本文从一所高层公寓的结构设计说起，对框架—剪力墙结构设计进行简单分析。

二、建筑工程概述

本案建筑是一座公寓楼，层数较多:地上28层，地下 2层地下室，建筑总高度约91.8米。设计人员对建筑公寓的使用情况作如下安排：地下室作为停车库，因为地下室面积大，较为宽广，停车方便；地上底部两层作为裙房，这两层裙房拟用作商业用途，可作为公寓楼的商业配套；三层及三层以上作为公寓塔楼，这样其整体设计和布局较为合理。本公寓塔楼平面尺寸为18.2×62.2米。

三、设计人员对于建筑结构体系的布置

（一）结构体系

任何结构都是由水平构件和竖向构件组成空间结构，它们不同的组成方式和荷载传递途径，构成了不同的结构体系。水平构件包括梁、板，又称为楼盖体系，竖向构件有墙、柱、斜撑等。竖向荷载作用在楼屋盖（楼盖体系），再传至墙、柱、斜撑等（竖向构件），最后传递到基础。水平荷载由梁、柱、斜撑、墙组成抗侧力体系（包括竖向和水平构件）抵抗，并必须有楼盖的参与，最后传至基础。

在高层建筑中，抗侧力结构体系的选择与组成，成为高层建筑结构设计的首要考虑及决策重点。抗侧力体系决定后，水平构件体系的大格局（梁板或平板体系）已经确定，楼盖布置的细节还可以进一步敲定。因此，在设计方案阶段要综合考虑抗侧力体系和楼盖体系，同时抗侧力体系布置是高层建筑结构是否合理、经济的关键。

（二）本案结构体系的平面布置

前述建筑概况可知，本建筑地下室用于停车，底部二层裙房用于商业用途，它们都需要大空间，因此除塔楼平面以外部分（为多层建筑），其抗侧力体系均采用框架结构；塔楼平面部分（含塔楼主体的底部二层及地下室部分）由于是高层建筑，抗侧力体系采用框架-剪力墙结构，即塔楼平面内布置一定数量的剪力墙，如图所示。

图1 塔楼标准层结构

框架-剪力墙结构设计的关键是剪力墙的数量和布置，结构工程师应尽早参与建筑师的初步方案设计，当建筑师给结构布置以灵活度时，结构工程师应当优化剪力墙的布置。剪力墙的数量不必太多，以满足规范的侧移限值为好，剪力墙太多不仅加大地震力，而且使结构重量加大，施工工程量相应增加。剪力墙数量是否恰当，可通过计算剪力墙分配到的总剪力是多少来检验：其值在50%～85%之间较好。

在平面上，剪力墙布置要均匀，以使结构平面刚度对称。如果布置不好，造成较大偏心（刚心与质心距离较大），将引起结构产生过大的扭转，地震造成的扭转破坏多数是由于剪力墙布置不当造成的。

对于高层建筑来说，结构受到的水平力方向具有不确定性，所以抵抗水平力的抗侧力体系必须要设计成双向抗侧力体系，即在建筑平面的两个主轴上均应设计一定数量的剪力墙，只有这样，才能使整个建筑在水平方向的任何方位都能抵抗水平力的作用。

（三）结构体系的垂直布置

对抗震有利的建筑立面是规则、均匀，从上到下外形不变或变化不大，没有过大的外挑或内收的立面，因此结构构件沿高度布置应连续、均匀，使结构的侧向刚度和承载力上下相同，或下大上小，自下而上连续，逐渐减小，避免出现软弱层和层间角位移、内力及传力途径的突变。

本案建筑地上2层是裙房，中间部位是塔楼，为大底盘单塔结构。大底盘单塔结构的关键部位是大底盘以上的第一层，这一层类似于塔楼的固定端，相对于大底盘这一层的侧向刚度突变，因此设计人员要注意提高大底盘以上第一层结构的刚度和延性。

抗震设计时，塔楼部分的抗侧力体系为框架-剪力墙结构，楼层结构的侧向刚度比值，不宜小于相邻上部楼层的0.9，楼层层高大于相邻上部楼层层高的1.5倍时，该比值不宜小于1.1，对结构底部嵌固层，该比值不宜小于1.5。具体设计时，设计人员可以对构件的截面大小进行试算、调整、优化，以使结构达到侧向刚度要求。

四、建筑结构计算方法及计算参数

本案塔楼平面尺寸为18.2×62.2米，高91.8米，塔楼高度H=91.8＜130米满足规范适用高度要求；塔楼高宽比B=91.8/18.2=5，满足规范要求。本建筑抗震设防为丙类建筑，抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g,建筑场地为Ⅱ类，结构抗震等级均为三级。风荷载基本风压值W。=0.3KN/㎡,本建筑的嵌固端设置在地下室顶板位置。

该工程采用的计算方法为振型分解反应谱法，设计人员采用PKPM系列SATWE软件对建筑结构进行计算。在结构计算中根据抗震设防烈度，在结构两个主轴方向分别考虑水平地震作用外，考虑双向水平地震作用下的扭转影响，同时考虑在偶然偏心影响下的作用。各计算参数的取值均按规范要求。如结构自振周期折减系数0.75；柱配筋计算原则按单偏压计算双偏压复核；中梁刚度增大系数1.8；连梁刚度折减系数0.5；梁扭矩折减系数0.5；各层框架总剪力按Vf≥0.2V0要求设计；在结构计算中通过调整构件尺寸和剪力墙截面，使周期比、层间位移角满足规范的要求。

五、剪力墙设计时需关注的问题及应对措施

设计人员具体设计时，对框架-剪力墙结构中剪力墙的布置应符合下列基本规定：1.剪力墙宜均匀布置在建筑物的周边附近、楼梯间、电梯间、平面形状变化及恒荷载较大部位。2.纵、横剪力墙宜组成L形、T形和Ⅰ形等形式。3.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。4.本案塔楼为长矩形平面结构，其剪力墙布置宜符合以下规定：横向剪力墙沿长方向的间距应满足规范要求；纵向剪力墙不宜集中布置在房屋两尽端。

剪力墙不宜过长，较长的剪力墙宜设置跨高比较大的连梁，将其分成长度较均匀的若干墙段，各墙段的高度与墙段长度之比不宜小于3，墙段长度不宜大于8米。

当剪力墙与其平面外相交的楼面梁刚性连接时，可沿楼面梁轴线方向设置与梁相连的剪力墙、扶壁柱或暗柱。

剪力墙两端和洞口两侧应设置边缘构件。

六、如何设计剪力墙的连梁

对于高层建筑，承担抵抗水平力的各片剪力墙，各段墙肢通过每层的连梁连接，即剪力墙由墙肢和连梁两种构件组成。

剪力墙在风荷载和抗震设防烈度的地震作用下，具有很大的抗弯刚度。为了预防未知的罕遇强烈地震，要有意识的在结构总体系（第一道防线）中形成预定薄弱环节，在未来遭遇强烈地震时，通过控制首先使连梁出现开裂、屈服，出现塑性铰，从而变成具有延性和耗能能力的结构体系（第二道防线），即各分体系（各段剪力墙肢）作为独立的抗震单元，则整体结构变柔，自震周期变长，阻尼增加，地震动力反应将大大减小，从而可以继续保持结构的稳定性和良好的受力性能。

设计人员具体设计连梁时，可采取以下策略方法：1.降低连梁的刚度或弯矩设计值；2.开缝混凝土连梁，对于跨高比较小的连梁，在连梁腹板上沿跨度方向预留一条或缝或槽，将连梁沿梁高方向分成几根跨高比较大的梁，在大震作用下，发生延性较好的弯曲破坏。3.交叉配筋和菱形配筋连梁，连梁的延性和耗能能力明显优于普通水平配筋连梁，具有良好的抗震性能。不足之处是制作费工，配筋密集，施工复杂。4. 钢板混凝土连梁，同样具有良好的抗震性能，同时构造相对简单，施工方便。

结语

笔者参考多个具有丰富建筑结构设计经验的老师的观点，言简意赅的阐述了高层建筑结构在设计时其框架-剪力墙的设计特点及策略，结合实际工程，对高层建筑结构体系的布置，建筑结构的计算方法及计算参数，剪力墙及连梁的设计进行了简单分析。

目前框架－剪力墙结构在高层建筑结构设计中的应用已很普遍，同时框架－剪力墙结构体系是高层钢筋混凝土结构中的一种较好的常用的结构体系，值得我们工程设计人员在实际工程设计中认真探讨与研究，从实践中不断积累总结经验，不断创新，使建筑结构既安全又具有合理的经济技术指标。

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