高烈度区多层建筑中少量剪力墙框架结构设计探讨

魏鉴栋，张广博

（汉嘉设计集团股份有限公司，浙江 杭州 310005）

1 概 述

目前在建的住宅、办公楼、宿舍、学校教学楼、大型综合体等建筑物中，大多采用多层框架结构体系。在抗震设防烈度为6度地区的多层钢筋混凝土框架结构的截面设计主要由轴压比决定，而在7度（Ⅲ类场地）或8度地区主要是由层间位移角控制。结构设计要满足位移角要求只有提高材料强度，加大梁柱截面尺寸，而过大的梁柱截面尺寸除给建筑使用带来不便，更直接的是“高梁宽柱”给建设单位造成设计保守、浪费的印象，甚至对设计单位的声誉和后续项目的合作也造成了一定的影响。

剪力墙构件本身侧向刚度较大，能有效抵抗结构水平力，在水平力作用下侧向变形很小。高烈度的框架结构中设置少量的剪力墙，组成少墙框架结构，在纯框架结构体系无法满足规范对位移控制要求时，充分发挥剪力墙的侧向刚度，减少水平位移，改善框架的抗扭转性能，从而在不加大梁柱截面尺寸情况下满足规范要求，也符合建设单位经济、安全的设计需求；但是，目前对于少墙框架的设计原则并不明确，在实际工程当中的应用甚少。

在少墙框架设计中，层间位移角的限值未有明确规定，《建筑抗震设计规范（GB 50011—2010）》6.1.3条条文说明提出：框架结构布置的少量剪力墙需按框架部分承担倾覆力矩的多少来确定层间位移角限值，其限值按框架的1／550和框架-剪力墙的1／800两者之间偏于安全内插［1］。有学者经过模型分析发现，底层剪力墙部分承担的地震倾覆力矩随墙肢的增长而增大，相应层间位移角虽减小但是减小幅度并不明显，按线性内插来分级控制层间位移角很难满足［2］。同时朱炳寅提出，少墙框架的层间位移角仍可按1／550限制［3］，而此限值也对剪力墙的数量也做出了新的要求。剪力墙和框架存在协同作用，剪力墙布置过多会使其承担更大的地震抗倾覆力矩，往往会造成剪力墙超筋，如果按框架-剪力墙进行包络设计，会使少量的剪力墙承担第一道抗震防线的任务［3-4］。程熙等人［5］提出，可以允许剪力墙出现一定的开裂，随层间位移角的增加，其抗侧刚度出现一定的退化，各楼层的最大层间位移角限值仍应满足框架结构的最小限值，并因此判断少墙框架结构体系仍属于框架结构体系。

结合以往学者的工程实例研究［6-8］，少墙框架可以有效减小结构侧向位移，提高结构的抗扭性能。杨树标等人［9］认为多层框架结构体系的破坏主要是由其中的框架部分引起的，通过分析不同地震程度下结构层间位移角以及塑性铰的变化情况，发现少墙框架体系的抗震效果明显优于纯框架结构体系。

本文通过对已有研究的理解与分析，结合工程实例来探讨少墙框架结构在工程实际中的应用。

2 少墙框架结构的设计原则

2.1 剪力墙布置的数量和肢长

剪力墙沿建筑物的全高设置，否则会引起建筑竖向的刚度突变。在反复的试算过程中要把握住“少数”的定义，若剪力墙布置太少，则难以发挥剪力墙的结构特性，没有达到设置剪力墙的目的；若布置太多，则违背了少墙框架设置的初衷，结构体系不够明确。为了使少量剪力墙不处于“第一道防线”地位，需对其抗倾覆力矩占比作出要求，本文以高规［10］8.1.3规定的框架承受大于80%地震倾覆弯矩作为少墙标准。

关于剪力墙肢长要求，有学者［6-7］考虑剪力墙设置过长会使剪力墙部分吸收的地震能量过多，均将剪力墙设为短肢剪力墙。但是短肢剪力墙存在反弯点，会减弱在框架中对层间位移角的控制。本文考虑到布墙位置使用功能不做肢长要求。

2.2 剪力墙布置位置

框架结构多用于公建，如果将剪力墙布置在结构中部，往往难以选择合理落点，同时剪力墙布置在结构内部会增加内部刚度而不利于抗扭。有学者经验证提出，中部布置少量剪力墙可能会对结构体系的振动产生不利影响［7］。框架结构侧向位移最大的部位均出现在角部，且考虑到加强外围结构刚度、弱化内部刚度利于周期比的调控，本文将剪力墙布置在框架角部，形成带边框剪力墙，并在两主轴方向双向布置。此时剪力墙构造上要考虑与周边构件的连接，便于其损坏后修补。

2.3 剪力墙的配筋

对于框架抗倾覆力矩占比大于80%的少墙框架，框架的抗震等级按纯框架结构确定；剪力墙抗震等级可与其框架部分抗震等级相同。朱炳寅提出，将结构分别进行纯框架结构和框架-剪力墙结构计算，取两者较大值进行框架部分的配筋，即包络设计，剪力墙不考虑计算结果，按构造配筋设计［3］。此做法考虑了框架-剪力墙的协同作用，也兼顾了少量剪力墙是用于调节位移角的本质。也有学者提出，先对框架结构进行建模计算（按纯框架结构计算），使承载力满足要求而位移角不做控制，获得框架的截面和配筋，而后布置剪力墙控制位移角，配筋按构造配筋设置［12］。这一设计做法将框架和剪力墙完全分割，充分体现了剪力墙取用只是用于提高结构整体刚度、控制层间位移角，不起“第一防线”作用。同时，这两种配筋设计中，剪力墙的做法均会使结构的剪力墙部分在罕遇地震作用时退出工作。

本文选取前者做法进行设计计算，建立了三种类型框架结构体系：①框架结构1（纯框架体系）、②少墙框架、③框架结构2（将少墙框架中的剪力墙删除，并将墙体自重以线荷载形式加到框架结构上），并对①②结构形式进行抗震指标和经济指标的对比分析，③用于验证大震下②结构的弹塑性位移角限值以及小震时框架包络设计的配筋验算。

3 工程概况

本工程为一综合商场，商场由4个单体组成，单体尺寸154 m×130 m。地下1层，层高5.1 m；地上4层，首层层高5.7 m，2～4层层高5.2 m，大部分柱网间距为9 m×10 m。本工程抗震设防烈度为7度（0.15 g），乙类建筑，场地类别为Ⅲ类场地，地面粗糙度为B类，基本风压为0.45 kN／m2。结构设计时增设了抗震缝，本文以抗震缝左侧单体为例。

框架和剪力墙的抗震等级均为二级，结构分析时，先建立纯框架结构体系作为基础模型，保证其梁柱满足承载力要求，层间位移角暂不作控制，而后作如下处理：1）在基础模型上加大梁柱截面使其位移角满足规范要求，并取得截面和配筋，构成框架结构1。2）在基础模型上布置剪力墙控制层间位移角，将结构分别进行纯框架结构和框架-剪力墙结构计算，配筋按包络设计确定，构成少墙框架。3）将构成的少墙框架体系中的剪力墙以线荷载形式施加于梁柱上，以确定其大震下的位移角，构成框架结构2。最终的剪力墙配筋均按构造配置。

剪力墙均布置在各区域角部，墙厚取200 mm，X向墙长1 400 mm，Y向墙长1 550 mm，墙体布置见图1。

图1 少墙框架平面布置

4 计算分析

采用YJK建模分析，模型具体信息见表1。

表1 地上模型信息

由表1可知，少墙框架结构的梁柱截面小于纯框架结构的设计尺寸，基本满足建筑专业对建筑物室内空间的使用要求。

少墙框架模型中框架的X、Y向所占地震倾覆力矩分别为81.9%和80.7%，均大于80%，满足本文少墙标准。通过基础模型和少墙框架对比，可以发现少量剪力墙的设置有效减小了结构的层间位移角，满足了1／550的限值要求，见表2。同时，在框架结构1和少墙框架的层间位移角相差很小的情况下，少墙框架的周期比降低明显，充分发挥了其抗扭转性能，进一步说明本文少量剪力墙的布置具有一定的合理性。

表2 计算结果

通过对大震下框架结构2的计算分析，发现其X、Y向的层间位移角均不大于1／50，这符合实际工程设计中少墙框架的位移控制原则。

本文只对梁、柱、墙的的材料用量进行统计，与框架结构1相比，少墙框架的材料造价只增加1.0%，经济上并未造成浪费。

5 结 语

1）通过某高烈度地区综合商场的实例分析发现，在纯框架结构难以满足层间位移角的限值时，少墙框架结构可以有效解决限值要求，并避免了“肥梁胖柱”的出现，较小的梁柱截面更符合建筑对空间功能的使用要求。

2）通过框架的抗倾覆力矩比不大于80%控制剪力墙的布置数量，当剪力墙在角部均匀布置时，少墙框架结构可以展现比纯框架结构更有效的抗扭性能。

3）在控制位移比相近的情况下，相较于纯框架结构，少墙框架的设置并未在经济上造成浪费。