钢筋混凝土及剪力墙结构设计探析

金惠仙

摘 要：本文对框架一剪力墙结构设计中的几个主要问题进行探论。

关键词：框架；剪力墙；钢筋混凝土

中图分类号：TU37文献标识码：A 文章编号：

1框架一剪力墙结构的受力和位移

1.1框架一剪力墙结构体系的受力特点

框架是由粱柱线性杆件组成的，框架的受力特点类似竖向悬臂剪切梁，其变形曲线为剪切形，在纯框架的结构中，所有框架的变形曲线都是类似的。所以，水平力按各框架的抗推刚度D比例分配。

剪力墙是竖向悬臂弯曲结构，其变形曲线为弯曲形，在平面内有很大的抗弯曲刚度，在一般剪力墙结构中，所有抗侧力构件剪力墙的侧移曲线都是类似的，水平力在各片剪力墙之间按其等效刚度肼比例分配。

框架一剪力墙结构体系的受力特点。在同一结构单元中，二者是通过水平面内刚度无限大的楼板连接在一起的，以致于它们不能单独按各自的弯曲变形或剪切变形而自由变形。它们在同一楼层的位移必须相等，在不考虑扭转的情况下，由于框架与剪力墙共同工作，彼此相互作用。

1.2 框架一剪力墙结构位移的特征

框架一剪力墙结构体系在水平力作用下的侧向位移与框架一剪力墙结构的刚度特征值λ有关，即

式中 C1——框架总剪力刚度

C1=ΣD•H

E1w——剪力墙的弯曲刚度

当λ≤1时，即框架的总剪力刚度与剪力墙弯曲刚度的比值很小：也就是剪力墙数量很多，侧移曲线与独立的悬臂梁一样，即为弯曲变形的形状.也就是接近剪力墙单独受水平力的变形曲线.

当λ≥6时，即框架的总剪力刚度与剪力墙弯曲刚度的比值很大，也就是框架一剪力墙结构中剪力墙的数量很少，侧移曲线是剪切变形的形状，接近纯框架变形曲线。

当λ=1～6之间时，侧向位移曲线介于弯曲与剪切变形之间，随着λ值的增大，剪力墙抗弯曲刚度与框架的总剪力刚度比相对薄弱，即框架承担的荷载相对增加，体系的变形曲线就接近总框架变形曲线。

2 框架一剪力墙结构中剪力墙的布置和数量

2.1 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，如楼梯间、电梯井道处、竖向管道井设计加强的钢筋混凝土墙是十分有效的。

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。

2.2 剪力墙合理数量的确定

剪力墙的合理数量按许可位移决定，按高层建筑规范中一般装修材料，框架一剪力墙结构顶点位移与高之比u/H不宜大于1/700，装修要求较高时u/H不宜超过1/850，在满足这个要求的前提下，增减剪力墙的数量。

用结构自振周期校核剪力墙布置数量是否合理，因为从地震作用本身来分析，剪力墙结构刚度小，地震作用小，位移限制较易满足，但这种结构在工程上有可能不很合理，结构的自振周期有可能不在合理范围内，结构自振周期的合理范围大致为

T1= (0.09～0.12)Ns

式中:Ns——楼层数

依据实际工程中的剪力墙数量作为布置剪力墙数量的参考，用底层结构截面积(包括剪力墙Aw和框架柱截面积Ac)与楼面面积Af之比(Aw+Ac)/Af来估算剪力墙数量，或用剪力墙面积Aw与楼面面积Af之比来估算，框架柱Ac由轴压比控制(表1)。

设防裂度

场地条件

7度 II

3%～5% 2%～3%

8度 II

4%～6% 3%～4%

表1底层结构截面积与楼面面积之比

3 框架一剪力墙结构方案的确定

3.1 框架一剪力墙结构方案选型

对于有抗震设防的框架一剪力墙结构，正确而合理的设计方案其首要任务必须满足抗震设防的要求，在场地地基、建筑体型、结构体系的质量、刚度分布、构件强度、延性等方面要慎重考虑。

框架一剪力墙结构中，剪力墙是框架剪力墙结构体系中抗震设防的第一道防线，框架主要承受垂直力，在两片单肢剪力墙间的连梁其受力是相当复杂的，如图1连梁如果为连接刚度很大的剪力墙肢，在水平力作用下将产生相当大的弯矩和剪力。框架一剪力墙结构设计计算中，往往以改变连梁高度尺寸或加大洞口尺寸来减小墙肢刚度，来调整连梁的内力，合理地设计连梁的弹塑性变形来消耗地震能量，成为框架一剪力墙结构中第一道防线。从这概念讲，图1中的连梁就不应该作为楼面梁的支承主粱，也不宜承受较大的竖向荷载，这样就可以避免连梁在地震时先期破坏以后使结构的竖向承载力受太大的影响，造成结构的不安全和不稳定。

图1平面图 图2缩颈平面图

如图2平面，非常不规整，凹凸很多，缩颈现象严重，凡是在突变，缩殒处受力复杂，应力集中。这种凹凸、缩颈使楼面的平面刚度削弱严重，彼此之间由楼面连接，协同工作的功能大大降低，平面形状复杂，凹面很多的方案对抗震是非常不利的，在方案设计阶段必须足够重视结构选型。

图3、图4方案表示主楼与裙房之间不设结构缝的情况，图4表示主楼2O层与过长的裙房6层连接，通道过窄，在地震时裙房与主楼的震动不协调，裙房外甩大，是会加重地震灾害的。

图4平面中，由于建筑功能要求设置一个亮顶共享空间，使裙房楼面连接处开了一个很大的洞,计算分析内力时是按整体分析的，而工程实际无法形成统一的整体，空间整体分析内力是偏于不安全的，而且裙房与主楼连接处在地震作用下是会加重震害的。结构设计中应该避免这种情况，或裙房与主楼分成两个结构单元分析。

图3平而图 图4平而图

3.2 框架一剪力墙结构设计

框架一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。对于框架一剪力墙结构，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)考虑了框架一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太于弹性分析结果，则规定框架承受水平剪力不小于0.2V0。

框架一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。

框架一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。

框架一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，剪力墙作为第一道舫线首先屈服，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。

4 如何合理分析计算结果

目前高层结构计算多采用计算机进行计算，关于高层结构分析的计算程序很多，如何合理分析，正确辨别计算机计算结果的正确与否，是高层结构设计中极为重要的环节。

(1)合理分析，正确简化计算程序要求的计算简图。

结构的计算简图是否符合程序的使用条件，如TBSA程序对剪力墙按薄壁柱考虑的分析是有条件的，即剪力墙的总高度比截面最大尺寸要大得多，洞口上下基本对齐，上下层剪力墙截面不要突变，每片剪力墙不得多于19个墙段，实际工程中如果不符合这个要求，将影响计算结果的正确性。

对于屋顶上部设置扩播电视电信的钢塔，用TBSA程序计算时，首先将钢塔转换成为等刚度、等质量的薄壁简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。

框架一剪力墙结构中，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，转换层设托粱支承，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(例如一层楼的高度)，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，框架一剪力墙结构T1=(0.08～0.12)Ns(Ns为层数)；第二周期T2=T1(1/5～l/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，且第一振型段有零点，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。

框架一剪力墙结构的位移在一般情况下，弯曲型与剪切型之闻基本上是反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，楼面水平位移保持直线状态。

在同一结构，同一荷载下内力是平衡的(地震作用时，由于经过振型组合视为非同一荷载)内力平衡必须考虑全部内力，如节点力矩平衡，要考虑平面内、外的全部弯矩、扭矩，必须考虑单工况的内力，不考虑分项系数，否则内力是不平衡的。如果按这些要求，其内力不平衡时，应怀疑计算结果的正确性，继续分析找出原因。

参考文献

[1]钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规范(JGJ3—91)

[2]王冶平，等；钢筋混凝土框架一剪力墙抗震性能研究[J].西安冶金建筑学院学报，l992(3)：55—58

[3]包世华，方鄂华.高层建筑结构设计[M].北京:清华大学出版社，1990

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