框架剪力墙的结构特点及实际工程应用

张 俊 文

(山西省建筑设计研究院,山西 太原 030013)

框架剪力墙的结构特点及实际工程应用

张 俊 文

(山西省建筑设计研究院,山西 太原 030013)

介绍了框架剪力墙的变形特点、受力特点、截面设计与构造要求，并结合具体工程实例，对框架结构与框架剪力墙结构的抗震等级、周期比、总质量等进行了对比分析，指出了框架剪力墙结构的优势。

框架剪力墙，结构特点，受力特点，抗震等级

0 引言

随着经济的发展，公共建筑的需求大大增加，在公共建筑的使用过程中，框架剪力墙结构既可以像框架结构一样,根据使用功能灵活布置房间,开拓出较大空间；又可以拥有剪力墙结构刚度大、变形小的优势而被广泛的应用。本文就框架剪力墙的特点做一下总结，并通过一个工程实例来对框架结构和框架剪力墙结构进行一下简单对比,来进一步阐述框架剪力墙结构的优势。

1 框架剪力墙结构特点

1.1 框架剪力墙的变形特点

在风荷载和水平地震力作用下，框架结构以剪切型变形为主，结构下部位移变形大，而上部结构变形相对较小；剪力墙结构以弯曲型变形为主，结构位移变化与框架结构相反，下部变形小，上部变形大；而框架剪力墙结构体系通过平面构件(楼板及梁)的连接，在同一楼板处有相同的位移，结构下部变形小的剪力墙对框架进行约束，使框架的下部变形减小；而在结构上部，框架又对剪力墙提供约束，使剪力墙的侧移变小，这就使得框架剪力墙结构的侧移大大减小，变形介于框架和剪力墙之间，上、下层间变形更加均匀，呈弯剪型变形曲线。三种结构体系的变形曲线如图1所示。

1.2 框架剪力墙的受力特点

框架力墙结构是通过楼板及梁在平面内无限刚的假定，让竖向的框架柱以及剪力墙共同来抵抗水平力和竖向力。根据其变形特点，在结构的下部，剪力墙位移较小而框架位移较大，剪力墙除了承受大部分水平力外，还承受框架的拉力；而在结构上部，剪力墙的位移越来越大，而框架的位移变小，框架除了承受水平外荷载外，还额外负担了把剪力拉回来的附加水平力，所以在顶部框架中也出现相当大的剪力。由于框架和剪力墙在整体结构中的协同工作，框架与剪力墙两者之间剪力传递特别重要，这就要求楼面和屋面的整体性要好，通过楼面体系来传递剪力。

1.3 框架剪力墙的抗震性能

框架剪力墙结构在小震作用下，水平力主要由剪力墙承担；在中震下由两者共同承担；而在大震下具有双重抗震防线，剪力墙达到承载力极限开裂为第一重防线，剪力墙破坏后，框架可保持结构稳定及防止结构倒塌为第二重防线；在变形方面，框架具有良好的变形能力，为延性结构，而剪力墙刚度大，延性相对较弱，将两者结合既具有框架良好的延性，又具有剪力墙较好的刚度，是一种非常良好的结构体系。

1.4 框架剪力墙的截面设计与构造要求

框架剪力墙结构应具有双向抗侧力体系，在整个受力体系中，框架梁柱的截面选取及构造要求需满足纯框架的设计要求，剪力墙墙体的厚度及构造要求需满足纯剪力墙结构的设计规定。

1)剪力墙的布置原则：“均匀、分散、对称、周边”。

剪力墙应优先布在建筑物的周边、楼梯间、电梯间；当平面凹凸较大时，优先布在凸出部分的端部附近，且剪力墙布置应与各主轴方向的侧向刚度接近；剪力墙宜贯通建筑物的全高，避免刚度突变；剪力墙宜组成L形、T形和槽形等形式，避免采用一字剪力墙，一字剪力墙底部承担的水平剪力不应该太大，当超过结构底部总水平剪力的40%时，应进行调整，尽可能的使各段墙体受力均匀，使其受力控制在40%以内；剪力墙的间距应满足《高层建筑混凝土结构技术规程》表8.1.8条要求。即房屋纵、横向区段较长时，纵(横)向剪力墙不宜集中布置在房屋的两尽端。

2)抗震等级的确定。

在实际工程设计中,由于建筑物的体型不同、剪力墙的布置数量及剪力墙的布置位置的不同，在规定水平力作用下，框架和剪力墙在结构的底层(上部结构的嵌固层)所承受的地震倾覆力矩不同，设计中根据结构总地震倾覆力矩在框架和剪力墙所占的比例来确定框架剪力墙结构中框架和剪力墙的抗震等级。因框架剪力墙结构水平地震力主要由剪力墙承担，设计的理想状态应该是超过结构总地震倾覆力矩的50%由剪力墙承担；当结构总地震倾覆力矩的50%～90%由剪力墙承担时，此种结构为真正的框架剪力墙结构，框架和剪力墙的抗震等级按规范要求的框架剪力墙结构确定；当总地震倾覆力矩的90%以上由剪力墙承担时，框架在这种结构体系中受到的水平力已经微乎其微，可以忽略不计，结构体系的受力更接近纯剪力墙结构，剪力墙的抗震等级按剪力墙结构的抗震等级确定，框架的抗震等级按规范要求的框架剪力墙结构确定；当剪力墙承担小于结构总地震倾覆力矩的50%时，随着剪力墙承受的地震倾覆力矩的逐渐减小，整个结构体系的受力逐渐倾向于框架结构；当结构总地震倾覆力矩的20%～50%由剪力墙来承担时，此时的结构高度应该控制在框架剪力墙结构体系规范所允许的高度与框架结构体系所允许的高度之间，框架的抗震等级按框架结构选用，剪力墙的抗震等级按规范要求的框架剪力墙结构确定；当总地震倾覆力矩20%以下由剪力墙来承担时，此种体系属于少墙的框架剪力墙结构，结构受力同框架结构非常相似，结构高度按框架结构确定，剪力墙的抗震等级按框架剪力墙结构确定，框架的抗震等级按规范要求的纯框架结构确定，此种结构体系在实际工程中不建议采用，若要采用，需与框架剪力墙结构和去掉剪力墙的框架结构符合，框架配筋采用两种结构体系计算结果的较大者。

3)框架总剪力的调整。

抗震设计时，框架剪力墙结构对应于地震作用标准值的各层框架，总剪力的调整应按《高层建筑混凝土结构技术规程》第8.1.4条来调整。

2 工程实例(为方便比较采用低层建筑做对比)

2.1 设计条件

本工程为太原市某大学设计使用年限为50年的一教学楼，地下1层，地上6层，房屋总高度为22.200 m，层高均为3.600 m,室内外高差为0.6 m。建筑结构安全等级二级，抗震设防类别为丙类，基本风压：Wo=0.40 kN/m2，基本雪压：W1=0.35 kN/m2，抗震设防烈度：8度，设计基本地震加速度值为0.2g，地震分组为第1组。地质条件良好，建筑场地类别为Ⅲ类，采用天然地基可满足设计要求，地下室顶板可满足上部结构嵌固要求。为方便比较，两种结构楼面荷载及梁荷载取值相同，竖向构件混凝土均采用C40，梁、板混凝土均采用C30。

2.2 按框架剪力墙结构设计

根据《建筑抗震设计规范》第6.1.2条规定，框架剪力墙结构，剪力墙的抗震等级为二级，框架的抗震等级为三级。结构布置如图2所示。

剪力墙厚度：1层～3层外侧剪力墙厚度为300，内侧剪力墙厚度250；4层～6层剪力墙厚度均为200。

2.3 按框架结构设计

根据《建筑抗震设计规范》第6.1.2条规定，框架结构框架的抗震等级为二级。梁柱的布置方式同框架剪力墙结构。

2.4 两种结构的计算结果

1)构件截面对比(见表1)。

表1 构件截面对比表

由表1可以看出，框架剪力墙结构中柱截面远小于框架结构中的柱截面，框架梁也有一定程度的降低，可有效的提高建筑的有效空间。

2)周期比(见表2)。

表2 两种结构的周期对比表

由表2可以看出，框架结构的周期要比框架剪力墙的周期长好多，框架结构更柔。

3)总质量(见表3)。

表3 两种结构的总质量对比表 t

4)层间位移角(见表4)。

表4 两种结构的层间位移角对比表

通过以上结果对比可以看出，在满足规范要求的前提下，框架剪力墙结构柱截面可以大大减小，框架梁也可以减小，框架剪力墙体系在空间有效利用方面具有一定的优势；框架剪力墙的周期更短，层间变形更小。另外在配筋对比方面，框架剪力墙结构耗钢量较小。通过综合比较，本工程最终采用框架剪力墙结构体系，现已投入使用，使用效果良好，得到了业主及社会各界的好评。

3 结语

框架剪力墙结构由于自身的特点，在公共建筑方面可以很好的满足建筑使用要求，受到了广大工程师的广泛使用。当然，每一种结构体系都不是万能的，都有其适用范围，在结构设计时，要根据工程的特点，结合建筑使用及现场实际情况，经多方比较，选用更合理、更经济的结构体系。

[1] GB 50010—2010,混凝土结构设计规范[S].

[2] JGJ 3—2010,高层混凝土结构技术规程[S].

[3] GB 50011—2010,建筑抗震设计规范[S].

On structural features of frame-shear wall and its application in projects

Zhang Junwen

(ShanxiArchitecturalDesignInstitute,Taiyuan030013,China)

The paper introduces the deformation features, stressed characteristics, section design and component requirements of the frame-shear walls, combining with project example, compares and analyzes the seismic grades, period ratio, and gross mass between the framework and frame-shear wall structures, and points out the advantages of the latter.

frame-shear wall, structural feature, stressed features, seismic grade

2015-05-25

张俊文(1978- ),男,工程师

1009-6825(2015)22-0044-02

TU398.2

A