浅析框架—剪力墙高层建筑结构设计

李子君 王国瑞

摘要：通过分析框架-剪力墙结构的受力特性，讨论了对剪力墙用量产生影响的因素，最终确定了寻找剪力墙合理用量的方法，同时讨论了框架-剪力墙结构水平作用效应问题，进一步使框架-剪力墙结构设计趋于完善。

关键词：高层建筑，框架-剪力墙，剪力墙用量，水平作用效应。

中图分类号：[TU208.3]文献标识码：A 文章编号：

随着国家国民经济的发展，我国对高层建筑的需求日益增多，高层建筑的体型日益复杂。在进行高层建筑的结构设计时大多采用框架-剪力墙结构体系，框架部分的梁、柱为刚接，框架部分与剪力墙部分即可为刚接，也可为铰接。人们对高层建筑的功能要求越来越高，不同的功能用房综合在一起，给结构设计增加了一定难度，而较好的延性及整体性、较高的承载力正是框-剪结构的特点，并且该体系具备很强的吸收地震的能力，有力的减小了高层结构本身的侧移，因此在广大设计工作中得到广泛的应用。本文通过分析框-剪结构的受力特性，讨论了对剪力墙用量产生影响的因素，最终确定了寻找剪力墙合理用量的方法，可供设计中参考采用。

1. 框架-剪力墙结构的受力特性

剪切型是框架结构的变形特性具有的特点，呈内收型开口的位移曲线越往上增大越慢，是剪切型变形曲线，在纯框架结构中，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侧刚度D比例分配。剪力墙结构的位移曲线具有悬臂弯曲梁的特性，位移越往上增大越快，呈外弯型开口曲线。在平面内有很大的抗弯刚度，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EI比例分配。

而在框-剪结构中，框架和剪力墙之间通过平面内刚度无限大的楼盖连接在一起共同抵抗水平力，不能单独按各自的弯曲变形或剪切变形而自由变形，在同一楼层的位移必须相等。因此，框-剪结构水平位移特征处于框架和剪力墙之间，为反S型曲线，是弯剪型。

因此，在框-剪结构中，剪力墙在下部楼层变形小，承担了近80%以上的水平剪力，而在上部楼层，框架变形小，可以协助剪力墙工作，抵抗剪力墙的外拉变形，从而承受很大的水平剪力。所以，框-剪结构是框架和剪力墙两种结构水平变形的有机协调，从而达到减少结构变形，增强结构侧向刚度，提高结构抗震能力的目的。

框架、剪力墙的受力特性可以用结构刚度特性值λ，即框架刚度和剪力墙刚度的比值表达。若忽略连梁约束和轴向变形的影响，有：

λ=H（Cf/EIw）0.5（1）

H：建筑总高度。

Cf：框架平均总刚度。

EIw：剪力墙折算总侧向刚度。

工程实践表明：1.λ过小即框架的总剪力刚度与剪力墙弯曲刚度的比值很小，结构变形曲线呈弯剪型，即剪力墙用量过多，此时，结构刚度过大，自振周期缩短，地震力相应增加，结构延性降低，尤其对框架顶部几层极为不利。一般来说，剪力墙数量超过必要限度是不合理不经济的，为了使框架充分发挥作用，剪力墙刚度不宜过大，应使λ≥1.15。2. λ过大，即框架的总剪力刚度与剪力墙弯曲刚度的比值很大，结构变形曲线呈弯剪型，剪力墙用量过少，结构刚度较差，常不满足变形要求，同时框架受力过大，梁柱截面尺寸加大导致不经济，因此应控制使λ≤2.4。

2. 影响剪力墙数量的因素

（1）剪力墙是框-剪中的重要抗侧力构件，一般按照“均匀、对称、分散、周边”的原则布置。

（2）结构自振周期随剪力墙刚度增大而变短，对于比较正常的框-剪结构，结构自振周期大致为：

T1=(0.08~0.12)n （2）

T2=(1/3~1/5) T1（3）

T3=(1/5~1/7) T1（4）

T1：结构的第1自振周期。

T2：结构的第2自振周期。

T3：结构的第3自振周期。

n：建筑物总层数。

（3）结构总水平地震作用随剪力墙刚度的增大而增大，对截面尺寸、结构布置都比较正常的结构，其底部剪力大致在下述范围内：

7度Ⅱ类场地土： Fek≈(0.015~0.03) G （5）

8度Ⅱ类场地土： Fek≈(0.03~0.06) G （6）

Fek：结构底部地震剪力标准值。

G：结构总重量。

当结构底部剪力小于上述数值时，宜适当增加剪力墙用量，提高结构刚度，适当增加地震力以保证安全；地震力过大，宜适当减少剪力墙用量，以求得适合的经济技术指标。

（4）在确定剪力墙用量时，必须考虑框架刚度。在框-剪结构中，框架和剪力墙是通过平面内刚度无限大的楼盖来共同作用的，楼盖在水平力作用下会有一定的变形，使刚度较小的框架承受的实际水平力较计算值大。此外，框架是框-剪结构抵抗地震力的第二道防线，有必要提高其设计地震力，结构设计时应有必要的强度储备。故在地震力作用下，要求框架剪力：

Vf≥0.2 V0 （7）

Vf≥1.5 Vfmax（8）

Vf：全部框架柱的总剪力。

V0：结构的底部剪力。

Vfmax：框架柱的最大楼层剪力。

当Vf<0.2 V0时，说明框架抗剪刚度不足，应加大框架梁柱截面。当Vf>0.4 V0时，说明框架抗剪刚度过大，宜减少框架梁柱截面。

3. 剪力墙合理数量的确定

根据框-剪结构刚度特征值有：

λ=H（Cf/EIw）0.5=(H/h){[(EcIc)/ (EIw)]12∑α}0.5

所以，

EIw=(12n2∑α/λ2) EcIc （9）

EIw：剪力墙折算总侧向刚度。

EcIc：框架柱总刚度。

n：建筑物总层数。

h：建筑物层高。

α：框架节点转动系数。（底层柱α=(0.5+i)/(2+i),i为框架节点梁柱线刚度之比。）

建筑平面确定后，根据构件刚度、强度和柱最大轴压比限值要求，通过预估楼面荷载从而确定梁柱截面尺寸。因此，框架柱总刚度EcIc、框架节点转动系数α

便可算得。根据框-剪的受力特性，要求1.15≤λ≤2.4。这样，把上述数据代入公式，便可求的所需剪力墙的总刚度EIw，从而求得剪力墙的合理用量。

4. 结语

在框-剪结构设计中，剪力墙刚度的确定除了必须满足强度条件之外，还必须使结构具有一定的侧向刚度。因此，剪力墙刚度的大小将直接影响到结构的安全性及工程造价。在框-剪结构初步设计阶段，简捷、正确的确定框-剪结构中剪力墙的数量，不但可以避免重复、繁琐的结构刚度调整计算，还可以达到经济的目标。

参考文献：

【1】 王亚勇 戴国莹，《建筑抗震设计规范算例》。中国建筑工业出版社，2006。

【2】 JCJ 3-2010，《高层建筑混凝土结构技术规程》。中国建筑工业出版社，2010。中国建筑工业出版社

【3】 GB 50011-2010，《建筑抗震设计规范》。中国建筑工业出版社，2010。

【4】 李明顺，《钢筋混凝土结构设计规范算例》。中国建筑工业出版社，2003。

【5】 陈泽钊，某超限高层框支剪力墙结构减震分析。山西建筑，2008。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。