框架剪力墙结构设计探讨

分类：建筑设计论文发表 时间：2012-09-26 09:48 关注：(1)

　　摘要：框架-剪力墙结构中，由于剪力墙的侧向刚度比框架大很多，剪力墙数量的确定及合理的布置对结构的整体刚度和刚度中心位置很大影响，合理的布置剪力墙数量能有效的防止地震的危害。因此工程设计人员对剪力墙结构的受力、变形特性的掌握和理解就显得非常重要，通过充分运用概念设计把握结构的整体性,科学布置剪力墙,合理设计基础。

　　关键词：框架-剪力墙;抗震原理;轴压比;合理布置

　　Abstract: the frame-shear wall structure, the lateral stiffness ratio of the shear wall a framework, shear wall quantity determination of reasonable arrangement of structure and the rigidity and stiffness center position a great influence, reasonable decorate shear wall quantity can effectively prevent the harm of the earthquake. So engineering design personnel to the shear wall structure stress, deformation characteristics of the master and understanding is very important, through the make full use of the concept design holding structure integrity, scientific layout shear wall, reasonable design basis.

　　Keywords: frame-shear wall; Seismic principle; The axial compression ratio; Reasonable decorate

　　引言：

　　现代高层建筑正向着多功能、综合用途的方向发展，在高层建筑的结构设计时，需要考虑的受力结构形式也较多，其竖向传力体系是设计的关键。建筑的空间形态是由结构传力体系支撑的，传力体系的剖面形式直接反映结构竖直荷载传递的路径，也关系到建筑物的使用功能。不同建筑结构其传力体系也是不一样的，因此在结构设计时也应考虑诸多细节以及采用正确的计算方法，使建筑物传力体系清晰，并满足抗震设计规范要求。

　　一、框架-剪力墙的抗震原理

　　框架-剪力墙结构是一种双重抗侧力结构。结构中剪力墙的刚度大，承担大部分剪力，框架承担的侧向力相对较小;在罕遇地震作用下，剪力墙的连梁往往先屈服，使剪力墙的刚度降低，由剪力墙抵抗的部分层间剪力转移到框架上。如果框架具有足够的承载力和延性抵抗地震作用，那么双重抗侧力结构的优势可以得到充分发挥，避免在罕遇地震作用下严重破坏甚至倒塌。从而起到抗震的效果。

　　二、框架-剪力墙结构的受力特点及分析

　　框架-剪力墙结构是由框架和剪力墙结构两种不同的抗侧力结构组成的，所以其框架不同于纯框架结构中的框架，剪力墙也不同于剪力墙结构中的剪力墙。框架-剪力墙结构的变形曲线形状和内力分配与二者的相对刚度有关，可以用刚度特征值(即用框架的抗推刚度和剪力墙的抗弯刚度的相对大小)来表示。当刚度特征值很小时，剪力墙刚度很大，框架刚度较小，内力分配以剪力墙为主，整体变形为弯曲型，此时框架分配的剪力很小，剪力墙可能不出现负剪力，二者协同工作的性能较差，这种结构更接近于剪力墙结构，不能算作双重抗侧力体系，在我国高规中的0.2Q 的调整就是针对这种情况，保证框架成为第二道防线;当刚度特征值很大时，框架的刚度相对较大，属于剪力墙较少的情况，当剪力墙承担的倾覆力小于50%时，框架部分就应该按照纯框架结构进行设计，以保证框架的安全。正常的设计应该是避免上述两种情况出现，使剪力墙的数量即不过多，也不过少。

　　三、框架-剪力墙结构设计要点

　　1、合理配置

　　剪力墙的平面布置一般原则是均匀、分散、对称、周边。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地被破坏,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,平面形状变化处;角隅、端角、凹角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,在高层建筑的楼梯间,电梯间,管道井处,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,在工程设计中用钢筋混凝土剪力墙来加强这些薄弱端部,如楼梯间,电梯井道处,竖向管道井等是十分有效的。剪力墙的间距,对现浇钢筋混凝土楼盖L/B=2—4 为宜,对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,抗震设防烈度愈高取值愈小。

　　2、 控制轴压比

　　轴压比主要为控制结构的延性，随着轴压比的增大，结构的延性越来越差，对高层建筑抗震十分不利。我国现行规范均有相应要求。某工程在进行初步设计时，业主提出当地混凝土搅拌站无法保证C40 以上混凝土施工质量，混凝土最高强度等级为C40。根据规范，一级框架剪力墙结构框架柱轴压比为0.75，若按框架柱轴压比为0.75 设计，框架柱的截面面积很大，影响建筑平面布局。故框架柱采取规范提出的构造措施提高柱轴压比限值至0.90设计。底部加强区剪力墙厚度为350mm，混凝土强度等级为C40，能够满足设计要求。但在其他的一些高层建筑结构的底部几层，由于混凝土强度等级低，为使剪力墙轴压比不超过规范规定的限值，会出现剪力墙厚度很大的不合理情况。规范现仅按结构抗震等级和设防烈度给出了混凝土剪力墙的轴压比限值，没有考虑通过采取构造措施提高其轴压比限值。国内人员研究表明，即使高宽比为1.0 的低剪力墙，同样可具有良好的延性性能。研究剪力墙约束边缘构件配箍率、位移延性比、剪力墙高宽比等因素对剪力墙轴压比限值的影响，并给出满足具体延性需求、对应不同约束边缘构件配箍特征值的剪力墙轴压比限值，供工程设计参考。

　　3、剪力墙的数量

　　在框架-剪力墙结构中，结构的侧向刚度主要由同方向各片剪力墙截面弯曲刚度的总和控制，结构的水平位移随剪力墙截面弯曲刚度增大而减小。为满足结构水平位移的限值要求，建筑物愈高，所需要的侧向刚度值愈大。但剪力墙数量也不宜过多，否则地震作用会相应增加，还会使绝大部分水平地震力被剪力墙吸收，框架的作用不能充分发挥，既不合理也不经济。一般以满足结构的水平位移限值作为设置剪力墙数量的依据较为合适。框架梁截面尺寸一般根据工程经验确定，框架柱截面尺寸可根据轴压比要求确定。框架梁、柱截面尺寸确定之后，应在充分发挥框架抗侧移能力的前提下，按层间弹性位移角限值的要求确定剪力墙数量。在初步设计阶段，可根据房屋底层全部剪力墙截面面积Aw 和全部柱截面面积Ac 之和与楼面面积Af 的比值，或者采用全部剪力墙截面面积Aw 与楼面面积Af 的比值，来粗估剪力墙的数量。根据工程经验，(Aw+Ac)/Af或Aw/Af 比值大致位于表1 的范围内。层数多、高度大的框架-剪力墙结构体系，宜取表中的上限值。

　　(Aw+Ac)/Af 或Aw/Af 比值的大致取值范围表1

　　设计条件(Aw+Ac)/AfAw/Af

　　7 度，Ⅱ类场地3%~5%2%~3%

　　8 度，Ⅱ类场地4%~6%3%~4%

　　4、剪力墙的布置

　　(1)为了增强整体结构的抗扭能力，弥补结构平面形状凹凸引起的薄弱部位，减小剪力墙设置在房屋外围而受室内外温度变化的不利影响，剪力墙宜均匀布置在建筑物的周边附近(第一内跨)、楼梯间、电梯间、平面形状变化或恒载较大的部位，剪力墙的间距不宜过大(高规表8.1.8);平面形状凹凸较大时，宜在

　　凸出部分的端部附近布置剪力墙。

　　(2)纵、横向剪力墙宜组成L 形、T 形和匚形等形式，以使纵墙(横墙)可以作为横墙(纵墙)的翼缘，从而提高其刚度、承载力和抗扭能力;楼、电梯间等竖井宜尽量与靠近的抗侧力结构结合布置，以增强其空间刚度和整体性。

　　(3)剪力墙布置不宜过分集中，单片剪力墙底部承担的水平剪力不宜超过结构底部总剪力的40%，以免结构的刚度中心与房屋的质量中心偏离过大、墙截面配筋过多以及不合理的基础设计。当剪力墙墙肢截面高度过大时，可通过开门窗洞口或施工洞形成联肢墙(一般不超过8m)。

　　(4)剪力墙宜贯通建筑物全高，避免刚度突变;剪力墙开洞时，洞口宜上、下对齐。抗震设计时，剪力墙的布置宜使结构各主轴方向的侧向刚度接近。

　　(5)在长矩形平面中，如果两片横向剪力墙的间距过大，或两墙之间的楼盖开大洞时，楼盖在自身平面内的变形过大，不能保证框架与剪力墙协同工作，框架承受的剪力将增大;如果纵向剪力墙集中布置在房屋两端，中间部分楼盖受到两端剪力墙的约束，在混凝土收缩或温度变化时容易出现裂缝。

　　5、框架剪力墙中连梁设计

　　钢筋混凝土框架一剪力墙结构,在强烈地震作用下能有效地通过反复的非弹性变形耗散地震能量,是一种较好的抗震结构体系。对于与框架一剪力墙平行的框架梁,即纵向梁构件采用带非线性转动弹簧的线弹性弹簧梁单元模拟。对于柱单元则假定其只发生非弹性弯曲变性而不发生非弹性轴向变形。对于框架一剪力墙结构中的横向梁两端承受着不同的竖向位移,并且由于节点的转动和两节点转动量的不同,横向梁还承受扭转。因此可采用竖向和转动弹性弹簧来模拟这种效应。模型中指定相对转动中心位于墙构件中心轴上高度点处,认为参数的合适值可基于沿层间高度预期的曲率分布选取一般多竖向单元模型考虑了墙截面中性轴的移动,可预测墙的弯曲反应,是一种适合于多层钢筋混凝土框架一剪力墙结构的非线性分析的拟三维模型。

　　[结束语]

　　通过本文的综合分析可知，结构工程师进行方案设计时，应特别重视结构概念设计，避免结构设计陷入只凭计算的误区。若结构严重不规则、整体性差，则仅按目前的结构设计计算水平，难以保证结构的抗震、抗风性能，尤其是抗震性能。从而无法发挥框架-剪力墙这一结构的真正作用，结构抗震概念设计的目标是使整体结构能发挥耗散地震能量的作用，避免结构存在明显的薄弱部位，从而导致结构过早破坏。现有抗震设计方法的前提之一是假定整个结构能发挥耗散地震能量的作用，以达到罕遇地震作用下不倒塌的目标。

　　[参考文献]

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