高层框架剪力墙结构抗震设计研究

崔炫

摘要：伴随我国高层建筑的飞速发展，对高层建筑抗震性能也提出更高的要求，框架剪力墙设计结构由于能够综合两者的优点，而广泛应用于建筑行业。本文为深入研究该结构的设计要点，首先分别对剪力墙、框架以及框架剪力墙进行受力分析，进而对框架剪力墙结构在抗震设计上的要点进行研究，希望为今后框架剪力墙结构在高层建筑工程中的应用提供一定的参考与帮助。

Abstract： With the rapid development of high-rise buildings in China， higher requirements have been put forward for the seismic performance of high-rise buildings. The frame shear wall design structure is widely used in the construction industry because of its advantages. In this paper， the design key points of the structure is studied. First， force analysis of the shear wall， frame and frame shear wall is carried out， and then the key points of the seismic design of frame shear wall structure are studied. It is hoped that this paper can provide help for the application of frame shear wall structure in the high-rise building construction in the future.

關键词：框架结构；剪力墙结构；高层建筑；受力特征：设计要点

Key words： frame structure；shear wall structure；high-rise building；stress characteristics；design points

中图分类号：TU398+.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）14-0079-02

0 引言

目前，随着我国城市建筑行业的快速发展，对高层建筑的要求就越来越高，由于框架剪力墙结构不仅具有框架的优点，同时还具有剪力墙的优点，因此，该结构普遍应用于城市高层建筑中。而因抗震性是框架剪力墙结构的重要性能，故框架剪力墙的抗震性成为高程建筑设计的关键。为使框架剪力墙结构可以在地震中最大性能地表现出其优点，需对框架和剪力墙的变形特点进行研究，并将其完美的结合起来[1]。

1 框架剪力墙受力特点

1.1 框架、剪力墙受力特点

框架结构在高层建筑中的形变一般表现出剪切特点，其改变情况会随着位移的增加而减慢，属于开口型曲线，即框架结构的形变曲线属于剪切型。在建筑中期纯框架结构的形变曲线相同。因此，其水平方向受力是根据不同框架结构的抗推刚度按一定的比例进行分配。

剪力墙结构的变形曲线特征类似于悬臂梁弯曲曲线的特点，其增大速度随着位移的增大而加快，曲线表现出弯形开口。抗弯曲强度在平面内表现较大，当结构属于普通剪力墙时，其受力位移线类似，即在剪力墙间水平方向的力根据其刚度值分别进行等效分配[2]。

1.2 框架剪力墙结构受力特点

框架剪力墙高层结构中，由于高层建筑楼盖在平面范围内刚度可以认为是无限大的，因此结构的剪力墙与框架可以通过楼盖进行连接并形成网络，进而一起承担水平方向力，避免结构受剪切变形或弯曲变形的单一影响，在同一楼层该结构位移基本保持一致。故，在水平面范围框架剪力墙的位移形式位于剪力墙和框架间，属于弯剪型，即曲线属于烦S型。因此，对于框架剪力墙高层建筑结构来说，在建筑的下部剪力墙因受到大于80%的水平剪力而导致变形量很小，相反在建筑结构的上部，框架结构受到较小的变形，能够与剪力墙共同作用，来抵抗剪力墙结构向外的变形，水平方向的剪力也相应地较大。实际上，框架剪力墙高层建筑结构是剪力墙与框架结构的结合，通过利用两种结构优点而有效地对水平方向的变形进行协调，从而达到对侧向刚度增强的效果，最终增加结构的抗震性[3]。

1.3 框架剪力墙结构设计的参数

在剪力墙在框架剪力墙高层建筑结构中的受力通常由刚度λ表示，即采用框架刚度与剪力墙刚度之比来表示。在不考虑梁体轴向与约束变形的情况下，可通过下式表达：

根据实际工程显示，当λ较小时，说明框架总体剪力刚度与剪力墙结构的弯曲刚度比值也较小，整体弯曲变形属于弯剪型，即当建筑结构中存在过多的剪力墙时，建筑自振周期降低，刚度变大，同时地震力反而增大，因此将减小其延展性，尤其不利于建筑结构的顶部。通常情况下，越多的剪力墙越有利于结构的抗震，然而剪力墙的数量存在一定的限度，若超过该极限数值将对建筑结构产生负面的影响。根据相关研究[4]，当λ不小于1.15时最有利于框架剪力墙结构。

λ值并非越大越好，当具有过大的λ值时，建筑结构会表现出剪弯的形式，即当结构中有较少数量的剪力墙时，刚度将变弱而无法符合变形要求，此时框架结构具有较大的受力，最终导致因增大的梁截面而增加成本。事实证明，通常情况下，λ不大于2.4为宜[5]。

2 框架剪力墙建筑抗震设计要点

2.1 增强剪力墙抗震性

建筑结构在进行设计时，在剪力墙周边通过增多梁柱的方式组成边框剪力墙。该设计不见能够有效防止因斜向裂缝而向周围结构扩展，还能够代替损坏的剪力墙而发挥承载的作用。需要注意的是，当边框结构数量增加时应满足斜截面承载力，目的是抵抗因开裂剪力墙而施加于梁柱的附加剪力。此外，肢墙面积应当合理，该设计法的原理是减小肢墙面积，通过结构的形式而形成双肢墙或多肢墙，来保证屈服位置和裂缝位于结构洞口与竖缝的连梁处，从而形成耗能结构。同时该剪力墙能够减小刚度，在发生地震时防止出现剪切破坏以及在底部墙体出现过早的屈服[6]。

2.2 改善框架结构抗震性

由于横纵框架连接的重要结构是角柱，因此，想要加固框架的整体性，则需要强化框架的角柱，增加其抗剪力。此外，为了避免框架出现剪力滞后的问题，我们可以在外侧框架结构平面里设置钢筋混凝土剪力墙的墙板，从而增加框架抵抗力刚度与结构整体性，减小结构发生侧向的位移，尤其楼层之间的移动，表现为X型或K型[7]。然而，需要考虑其较差的延性，应当在墙板上合适地位置设置十字开口，使结构出现薄弱位置，从而得到延性耗能墙。在结构设计中加大偏交斜撑的数量，通过弯曲耗能来替代轴边耗能，其中可以采用钢纤维混凝土制作折曲支撑，而利用钢杆制作偏心连接支撑。当地震震级较大时，利用该杆件能够完成先行屈服，此外，该类构件在地震中因变形而失效，进而导致结构整体的稳定性发生改变同时改变建筑结构的自振频率，能够有效防止建筑结构出现共振。[8]

2.3 提高整体抗震性

在设计建筑结构时通过机构控制来实现总体屈服的目的，在框架剪力墙建筑中的某个位置，采用安装塑性铰的方式来控制其作用的位置、变形度以及次序，從而使建筑物遭遇地震灾害时能够更有效地形成耗能机构。水平构件在水平力的作用下先出现屈服，其次是竖向的构件[9]。剪力墙在框架剪力墙中的体积越大、数量越多，那么其刚度也将越大，然而这将减小建筑的自振周期，地震作用增加；相反，建筑刚度将降低，地震作用也将减小。因此，在进行结构的设计时，需对建筑本身有充分的考虑，对于建筑结构的高度、设防烈度以及装修等级等均应考虑在内，设置建筑结构所能承受的最大位移值。最终目的是对剪力墙体积和数量的确定，确保结构的安全以及经济性[10]。

3 工程案例分析

深圳某高层建筑项目，总面积约60000m2，总建筑高程为102m，地上地下分别为32层、3层。该高层建筑包括2栋塔楼，塔楼之间通过抗震缝使其分离。为满足该建筑的使用功能，其中商用空间位于地面上1至5层，普通住宅位于5层之上，为使商用楼层与住宅结构均满足抗侧力的要求，因此，该高层建筑设计中采用框架剪力墙结构，5层顶面则采用梁式转换来进行剪力墙内力的传递。底层框架结构以及剪力墙的加强区均设计为一级抗震等级，框支柱结构设计抗震等级为特一级，其他部分剪力墙设计的抗震等级为二级。通过现场及室内试验证明：为考虑建筑要求而设置于住宅层的转角窗在很大程度上降低了结构的抗扭刚度，这极易导致墙体发生不规则的扭转，这非常不利于高层且复杂结构的抗震性。此外，我们可以通过加厚建筑底层外墙厚度以及墙体四周安置端柱的措施来约束墙体，还可以通过增加配筋、轴压比的控制，使结构具有一定的延展性，进而提供抗震等级。该建筑主体工程为框架剪力墙结构，且采用钢筋混凝土采用现浇施工进行，楼板采用梁板式结构，事实证明该结构能够很好地满足结构的协调性和刚度的要求。

4 结论

框架剪力墙建筑结构由于其互补性而得到建筑行业的广泛认可以及使用。建筑结构设计的合理程度对框架剪力墙结构的优势发挥具有较大的影响，设计的合理程度越高其抗震性能越高，而通过分析可以得到，结构设计的重点在于剪力墙形式以及数量的应用。因此，在实际工程设计时，所遵循的原则应当是结构承载均匀分散，同时有效把握节点，然后是剪力墙与框架使用形式以及比例的确定，以此确保高层建筑中框架剪力墙结构对抗震的作用。

参考文献：

[1]党争，梁兴文，李坤，赵花静.基于屈服点谱的钢筋混凝土框架-剪力墙结构抗震设计[J].土木工程学报，2015（06）：25-35.

[2]姚永革，谢春，王英聪.昆明小厂村超限高层建筑剪力墙结构抗震设计[J].建筑结构，2015（17）：14-20，36.

[3]缪志伟，叶列平.钢筋混凝土框架-剪力墙结构基于能量抗震设计方法的耗能需求计算与设计流程[J].建筑结构学报，2014（01）：10-18.

[4]郭兆伟.高层框架剪力墙结构抗震设计的技术要点分析[J].建材技术与应用，2011（01）：24-25.

[5]李刚，程耿东.基于可靠度和功能的框架-剪力墙结构抗震优化设计[J].计算力学学报，2001（03）：290-294，370.

[6]王传甲，胡守营，陈志强，王庆扬.某高层框架剪力墙结构抗震优化设计及验证[J].工程抗震与加固改造，2008（03）：46-49，57.

[7]黄建彬.探索剪力墙抗震设计在高层框剪结构建筑中的作用[J].低碳世界，2016（14）：133-134.

[8]邓文杰.高层框剪结构剪力墙抗震设计及实例分析[J].建材与装饰，2016（21）：113-114.

[9]黄小燕，赵菲，陈超核.抗震概念设计在框架剪力墙结构体系中的应用[J].海南大学学报（自然科学版），2012（01）：58-65.

[10]张宝华.浅述框架-剪力墙高层建筑结构优化设计研究[J].现代物业（上旬刊），2012（08）：82-83.