某框架—剪力墙结构设计分析

张 扬

(山西省建筑标准设计研究院，山西 太原 030013)



某框架—剪力墙结构设计分析

张 扬

(山西省建筑标准设计研究院，山西 太原 030013)

结合工程实例，从地基、结构、节点三方面，阐述了框架—剪力墙结构的设计方法，并分析了场地地基处理、结构布置、结构计算中的注意事项，使该框架—剪力墙的结构设计满足适用性、安全性、美观性的要求。

框剪结构，地基，楼层，节点

1 工程概况

建筑平面整体布局呈“L”形。主楼平面长×宽为47.6 m×20.3 m，地下1层，地上6层，建筑总高度29.70 m。地下1层层高4.95 m，1层，2层层高5.10 m，3层～6层层高4.50 m，出屋面水箱间及楼电梯机房高3.40 m。主楼与裙楼高差较大，结合建筑平面布置方案，将伸缩缝、沉降缝和防震缝三缝合一设置，自下而上完全脱开，形成两个独立的结构单元。本工程依据使用性质为乙类建筑，主楼高度大于24 m属于民用高层建筑，且业主根据特殊使用需求首层和屋面设计活荷载为7 kN/m2、标准层为5 kN/m2，因此采用框架—剪力墙结构。

建筑设计使用年限50年，结构安全等级为二级。抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.20g，地震分组为第一组。主楼地震作用按8度、抗震措施按9度设计，结构抗震等级剪力墙为一级，框架为一级。

2 地基设计

建筑场地类别为Ⅲ类，属建筑抗震不利地段。可不考虑湿陷性对建筑物的影响，但为严重液化场地。主要液化土层为粉土和粉细砂，深度达地面标高下15 m，其下为卵石层，厚度未揭露。

主楼持力层粉土不满足承载力要求，且粉土层和其下粉细砂土层存在严重液化，为消除液化及提高地基承载力，结合周围环境，主楼地基采用振动沉管砂石桩+水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)复合地基，裙楼采用振动沉管砂石桩，其上铺设300厚级配良好的砂石褥垫层。施工时先打沉管砂石桩，后打CFG桩。桩平面布置图见图1。

沉管砂石桩桩体材料用含泥量不大于5%的碎石、卵石、角砾、圆砾、砾砂、粗砂、中砂或石屑等硬质材料，最大粒径不宜大于50 mm。沉管砂石桩的桩径400 mm,桩距1 500 mm，正方形布桩，有效桩长为14 m，保护桩长为500 mm，桩端进入卵石层内不小于0.5 m。CFG桩桩径400 mm，桩距1 500 mm，正方形布桩，有效桩长为10 m，保护桩长为500 mm，桩端进入粉细砂层内不小于2.0 m。CFG单桩竖向承载力特征值不小于240 kN，CFG桩复合地基承载力特征值不小于170 kPa。结合地基承载力及防水要求基础采用梁板式筏板基础。

3 结构设计

框剪结构剪力墙的布置通常应遵循“均匀、分散、对称、周边”的原则。剪力墙均匀分为几部分，分散布置在建筑平面上。在结构单元的平面上对称布置，使水平力作用线靠近刚度中心，避免产生过大的扭转。抗震设计时，宜使结构各主轴方向的侧向刚度接近。剪力墙布置在建筑平面周边，可以加大其抗扭转内臂，提高其抗扭转的能力。竖向宜贯通建筑物的全高，避免刚度突变。

为了满足建筑功能的适用性及美观性，本工程提高抗侧力的剪力墙只能布置在建筑四周角部。两柱之间满布剪力墙会使刚度过大，吸收地震力增多，高烈度区造成边框柱超筋。楼梯、电梯间楼板开洞较大，布置剪力墙予以加强。剪力墙相对集中布置的不足是墙体受力集中，配筋率较高，容易造成超筋。如果条件允许可将剪力墙分几部分均匀布置于几跨内，既能使整体结构满足计算要求，又能使墙柱构件配筋较小。典型楼层结构平面布置图见图2。

本工程结构构件截面：底层框架柱700 mm×700 mm，上部不受建筑造型影响处收缩为600 mm×600 mm；剪力墙X轴向墙体较少，墙厚为350 mm，Y轴向墙厚为300 mm；框架梁典型截面尺寸为350 mm×650 mm。抗震等级为一级的框架梁规范规定为四肢箍，梁宽350 mm可以较好地放置四肢箍筋，同时又能使剪力墙纵向钢筋穿过框架梁最外侧纵筋内。通过试算确定上部结构嵌固于基础，地下室顶板厚度取160 mm，其余楼层楼板厚度为100 mm，屋面板厚度为120 mm。墙柱混凝土强度等级底部加强区及约束边缘构件范围采用C35，其上为C30；梁板都为C30。

结构采用SATWE软件进行整体计算，分析时采用考虑扭转耦联影响的反应谱法并考虑偶然偏心影响，抗震分析时结构阻尼比取0.05，抗震设防烈度为8度。试算分析后，剪力墙受力较大部位在特殊构件补充定义里单独指定竖向配筋率，水平向配筋率根据计算确定。

经过SATWE软件计算后，通过查看下列计算结果检查结构设计是否合理：

1)轴压比。

考虑地震作用组合的轴压力设计值与柱全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积的比值，控制结构的延性。

2)周期比。

结构以扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，控制结构的扭转效应。

3)位移角。

按弹性方法计算的楼层层间最大位移与层高之比，控制结构的侧向刚度。

4)位移比。

楼层的最大弹性水平位移(或层间位移)与楼层两端弹性水平位移(或层间位移)平均值的比值，限制结构平面布置的不规则性，避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。

5)刚度比。

确定结构中的薄弱层，控制结构竖向布置，或用于判断地下室结构刚度是否满足嵌固要求。

6)刚重比。

结构的侧向刚度与重力荷载设计值之比，控制在风荷载或水平地震作用下，重力荷载产生的二阶效应。

7)抗剪承载力比。

楼层全部柱、剪力墙、斜撑的受剪承载力之和与其上一层的承载力之比，限制结构竖向布置的不规则性。

8)剪重比。

底层水平剪力与结构总重力荷载代表值之比，反映结构的刚柔程度。

表1 主要计算结果

9)框架柱倾覆力矩百分比。

复核计算模型是否可按一般框架—剪力墙结构进行设计。

主要计算结果见表1。

经计算分析得结构底层框架部分承受的地震倾覆力矩与结构总的地震倾覆力矩的比值大于10%但不大于50%，按《高规》8.1.3条第2项规定，按框架—剪力墙结构进行设计。

4 节点设计

框剪结构截面设计及构造要求尚应符合剪力墙结构规定，设有底部加强区及约束边缘构件。墙柱连接部位为有端柱形式的边缘构件，既要满足框架柱计算配筋值，又要符合边缘构件规范规定的配筋率要求。墙柱节点端柱部分与翼墙纵向钢筋直径最多差两级，以保证协同受力。

墙柱配筋见图3。

抗震等级为一级的剪力墙水平施工缝抗滑移应符合《高规》7.2.12条要求，受力较大部位结构计算时单独指定墙体竖向配筋率，对仍然难满足要求部位可在墙中增加一排施工缝插筋，规格可同墙体纵向受力钢筋，长度满足锚固要求。

剪力墙施工缝插筋见图4。

5 结语

钢筋混凝土高层和多层公共建筑中，当框架结构的刚度和强度不能满足抗震或抗风要求时，采用刚度和强度均较大的剪力墙与框架协同工作形成框剪结构。框架构成自由灵活的大空间，以满足不同建筑功能的要求，同时又有刚度较大的剪力墙，从而使框剪结构具有较强的抗震抗风能力，并大大减少了结构的侧移。在设计中，首先将整体框架梁柱布置好，再反复调整剪力墙布置位置及长度，计算后不仅查看周期、位移结果，还要查看框架柱倾覆弯矩及0.2V0调整系数中规定水平力框架柱地震倾覆力矩百分比(抗规)，判断假定的计算模型是否合理。通过实际工程分析，有抗震设防要求时，框剪结构是一个合理的结构体系。

[1] JGJ 3—2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

[3] GB 50007—2011，建筑地基基础设计规范[S].

[4] 吕西林.高层建筑结构[M].第2版.武汉：武汉理工大学出版社，2008.

The design and analysis on a frame-shear wall structure

Zhang Yang

(ShanxiStandardInstituteofArchitecturalDesignandResearch,Taiyuan030013,China)

Combining with the engineering examples, from the foundation, structure, node three aspects, this paper elaborated the design method of frame-shear wall structure, and analyzed the matters needing attention in ground foundation treatment, structure arrangement, structural calculation, made the structure design of frame-shear wall satisfied the applicability, safety, beauty requirements.

frame shear structure, foundation, floor, node

1009-6825(2016)10-0050-02

2016-01-25

张 扬(1988- )，男，助理工程师

TU398.2

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