高层建筑框架—剪力墙结构设计研究

贾长江 梁利生

摘 要：随着社会经济的快速发展，高层建筑逐渐成为现代建筑的发展趋势。由于该结构形式抗侧刚度大，可有效减少侧移，且具有较好抗震性能。因此被广泛应用于高层钢筋混凝土建筑。为此，本文在充分了解剪力墙结构概况的基础上，对高层建筑框架-剪力墙结构设计的几点内容进行了分析与探究。

关键词：高层建筑；框架-剪力墙结构；设计要点

一、剪力墙结构的概况

剪力墙结构是用钢筋混凝土墙板来代替框架结构中的梁柱，能承担各类荷载引起的内力，并能有效控制结构的水平力，是用钢筋混凝土墙板来承受竖向和水平力的结构。高层结构的建筑大量使用这种结构。剪力墙截面有以下特点：墙肢长度和其厚度比要远远大于；承载力和平面外刚度都比较小；自身平面的承载力和刚度都比较大。在剪力墙结构设计中，墙即要承受沿其平面作用的水平剪力和弯矩，还要承受竖向压力。墙体在弯矩、剪力和轴力的共同作用下，它受到的水平作用的时候就像悬臂深梁嵌固在基础的底部。剪力墙在风荷载或者地震的作用下，一方面要满足其刚度要求，另一方面还要满足非弹性变形重复作用而出现的能量消耗、延性等要求，同时还要控制结构即使开裂也不会倒塌。剪力墙因为孔洞的问题受力状况和特点都会不同，其变形状态和内力分布都会发生变化。根据其开洞的情况可以分为实体墙、整体小开口剪力墙、双肢或多肢剪力墙、壁式框架等。

二、框架-剪力墙结构中剪力墙的布置

剪力墙的布置一般原则是均匀、分散、对称、周边及均匀，分散原则是要求剪力墙片数不要太少， 而且每片剪力墙刚度不要太大，连续尺寸不要太长，使抗侧力构件数量多一些，分散一些，每片剪力墙的弯曲刚度适中， 在使用中不会因为个别墙的局部破坏而影响整体的抗侧力性能， 也不会使个别墙的受力太集中，负担过重而引起过早的破坏，刚度过大的墙承担的内力也大，相应的基础处理难度增加，同时也考虑到剪力墙相距太远，楼面刚度要求大，很难满足要求，周边的原则是考虑建筑物抵抗扭转能力，便于保证刚度中心与平面中心相吻合。

剪力墙布置在周边对称位置，增加抵抗扭转的内力臂，在不增加剪力墙面积的情况下，提高抗扭转能力，剪力墙布置的位置应设在平面形状变化处，即：角隅、端角、凹角，这些部位往往是应力集中处，设置剪力墙给予加强是很有必要的；高层建筑的楼梯间、电梯间、管道井处等的楼面开洞严重地削弱楼板刚度，对保证框架与剪力墙协同工作极为不利。因此，在工程设计中用剪力墙来加强这些薄弱端部，剪力墙的间距：现浇钢筋混凝土楼盖L/B=2～4 为宜；装配整体式钢筋混凝土楼盖L/B=1～2.5 为宜，原则是建筑物愈高、抗震设防烈度愈高，间距取值愈小，剪力墙应沿建筑物全高设置，不得沿高度有突变，剪力墙应落地，剪力墙并应在两个主轴方向组合部署成L 形、T 形或形成封闭的筒， 这样可以提高剪力墙自身的刚度，且一片剪力墙的长度不宜大于8m，当超过时，应利用洞口分割成两片墙，功能上不需要洞时，洞口可用不同的材料或轻质材料填充， 过长的剪力墙中央部分的钢筋尚未到达屈服阶段，墙端部的钢筋早因变形过大而断开破坏、工程具体情况、建筑物高度、地区设防烈度及参考上面方法取值。

三、框架-剪力墙结构设计要点

框架剪力墙结构具有较好的延性和耗能能力，是一种较为理想的抗震结构型式，对于框架 剪力墙结构，合理设计框架、剪力墙以及连梁，对框架剪力墙结构抗震能力是非常重要的，钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程（JGJ3- 91）考虑了框架 剪力墙结构中剪力墙开裂后刚度降低， 使框架承受的水平荷载大于弹性分析结果， 则规定框架承受水平剪力不小于0.2V01 框架剪力墙结构进入弹塑性阶段后，剪力墙上部弯矩增大，下部弯矩减小，反弯点位置下移，剪力墙担负的剪力上、下部变化较大，中部变化较小，但是剪力墙设计控制内力变化不大，框架剪力墙结构屈服以后，结构的刚度特征值λ将改变，框架的最大剪力层转移，如果屈服顺序依次为剪力墙→框架梁→框架柱，则λ值增大，框架的最大剪力层下移；如果是框架梁先屈服，则λ值降低，最大剪力层上移，框架 剪力墙结构抗震设计中，应尽可能设置抵抗地震的多道防线，一般情况下，剪力墙作为第一道防线首先屈服，将框架设计作为第二道防线。因此， 要充分认识到框架在剪力墙屈服后增加的荷载效应，让框架柱承担竖向荷载的构件有充分的安全储备， 并且针对第二道防线，框架结构作抗震验算，总之，适当处理构件的强弱关系，使其形成多道抗震防线，是增强结构抗倒塌能力的重要措施。

四、合理分析计算结果

1、合理分析，正确简化计算程序要求的計算，用TBSA 程序计算时，首先将钢塔转换成为等刚度、等质量的薄壁筒体与下面结构整体计算，然后，再按得到的内力另外进行钢塔的设计，框架剪力墙结构中，剪力墙不落地时，形成框肢剪力墙结构，用TBSA 程序分析，先将计算洞口划分为平面剪力墙或较简单的L 形和I 形剪力墙，转换层设托梁支承，用无柱连接点与上层剪力墙连接，当每片墙的支承柱数为3根或更多时，转换梁的刚度要取得很大的高度，这种简化便于整体分析， 但转换层和上下相邻层的内力和配筋运用另外的计算程序进行设计。钢管混凝土、型钢混凝土构件有按刚度相等的条件转换成圆形或矩形截面的混凝土构件进行整体计算， 求得内力后再按有关规定对构件进行承载力设计。

2、分析计算机输出结果是否正确，首先从周期、振型和地震力方面判断，非耦连计算地震作用，其第一周期会在常规范围内， 框架剪力墙结构T1=（0.08～0.12）NS （NS 为层数）；第二周期T2=T1（1/5～1/3）；第三周期约为T3=T1（1/7～1/5），如果相差太远应考虑调整结构截面尺寸和剪力墙的数量， 使周期处于常规的范围内，正确的计算结果振型曲线多为连续光滑的，且第一振型没有零点，第二振型的零点在（0.7～0.8）H 高度上，第三振型的零点分别在（0.4～0.5）H 和（0.8～0.9）H 高度上，如果计算结果有异样，应继续分析查找原因，正常情况，底部总剪力也应在合理范围内，7 度Ⅱ类场地底部剪力大约在总重量的1.5%～3%之间，8 度Ⅱ类场地大约在总重量的3%～6%之间视为正常。框架-剪力墙结构的位移在一般情况下，弯曲型与剪切型之间基本上是反S 型，接近于直接参考点的位移曲线，应上、下渐变，不应出现大的突变。

五、结束语

综上所述，在高层建筑中，框架-剪力墙结构是较为常见的结构。它的应用范围较为广泛，如果设计得当，不仅能够使高层建筑更加稳定，而且还能增强其防震功能。为了保证框架-剪力墙具有更高的安全保证，需要根据工程的具体特点进行设计。

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