框架－剪力墙结构对地震效应影响分析

刘佩瑶

摘要：框架结构中加设适量的剪力墙，使框架与剪力墙通过刚性楼板连接成整体，组成框架-剪力墙结构，该结构成为一种适用性较广的结构体系。既因其框架部分能构成自由灵活的使用空间，又极易满足不同建筑功能的要求。剪力墙具有相当大的刚度，这样使框剪结构具有较强的抗震能力或抗水平荷载作用的能力，能大大减少结构本身侧移，并避免填充墙在地震时发生破坏或倒塌。本论述对框架-剪力墙在地震作用下，引入抗震剪力因子数 K，分析框架-剪力墙结构在 X 方向和 Y 方向地震作用下，根据结构对地震作用响应的结果总结，发现增设部分剪力墙的结构体系，抗震性能发生了明显提高，结构安全度相比框架结构更适合高烈度地区。因此，在前人发现剪力墙结构在地震效应下具有良好的抗震性能的基础上，本论述在此基础上延伸量化分析。

关键词：框架-剪力墙；地震作用；抗震剪力因子数；位移

中图分类号：TU352                            文献标志码：A

0引言

中国处在两大地震带－环太平洋地震带与欧亚地震带之间，由于太平洋、印度和菲律宾海板块的挤压，使地震断裂带变得格外活跃，从而给建筑物带来了极大损坏。因此，如何让建筑物提高抵抗地震的能力成为结构设计非常重要的考量因素。

我国的建筑抗震原理和抗震设防要求分为三个水准，两个阶段。这就意味着，在不同频度和强度下，建筑物必须具备不同的抗震能力。经多项研究表明框剪结构具有承受强烈地震，裂而不倒的良好结构性能。本论述基于以上思考，针对框架结构与框剪结构在地震作用下的影响，笔者在此做一些分析。

1结构体系分析

1.1框架结构体系

框架结构是一种由梁柱构件组成的结构体系。既承受竖向荷载，也能承受水平荷载，这种结构体系的优点在于它可以灵活地布置建筑物的平面，并且可以根据需要将建筑物分割成小房间。外墙通常采用轻质填充材料，并且建筑立面容易处理。在一定条件下，框架结构具有良好的抗震性能，但是在高层建筑中，由于框架结构侧向刚度较低，水平荷载作用会导致非结构构件受到严重破坏，甚至主体结构梁柱节点也会受到损坏。

1.2剪力墙结构体系

剪力墙这种结构体系，能够承受竖向和水平荷载，并作为建筑物的围护结构和房屋分隔构件。剪力墙具有较高的侧向刚度和较小的侧向变形，同时也具有良好的延性。然而，它也存在一些缺点，比如结构自重较大，建筑平面布局受到限制，难以获得足够的建筑空间。

1.3框架剪力墙结构体系

框架剪力墙结构是一种特殊的建筑形式，由框架结构和一定数量的剪力墙组成。框架具有较低的侧移刚度和较大的变形，但它的平面布置灵活，可以在较大空间内实现更多功能。剪力墙结构具有出色的刚度和水平位移小的优势，但由于空间受到限制，使它的应用范围受到了一定限制。因此，将这两种结构体系结合起来，可以创造出一种受力性能合理的结构体系。

2工程研究背景及工程模型建立

2.1工程背景

某工程为地上八层（高层公共建筑），长度65.10 m，宽度19.90 m，高宽比：1.48，一层楼层高度3.90 m，二层～八层楼层高度均为3.60 m，室内外高差0.30 m，整个房屋建筑高度29.40 m，如图1所示。

2.2主要参数

剪力墙厚度：外墙厚300 mm；内墙厚200 mm；模型楼层混凝土强度等级见表1所列。

2.3荷载

楼面荷载和屋面恒荷载主要包括自重，楼面装修做法及管线荷载，活荷载按照《建筑结构荷载规范》的规定取用。

2.4地震效应选用

抗震设防有关参数：抗震设防烈度，7度；设计地震加速度，0.15 g；设计地震分组，三组；水平地震影响系数最大值：多遇地震0.12，罕遇地震0.72；结构阻尼比0.05，场地类别Ⅱ类，特征周期值0.45 s。

基本风压：0.30 KN/m2（50 a 一遇）；基本雪压：0.20 KN/m2；地面粗糙度：C 类。

抗震等级：框架三级，剪力墙二级。

该算例结构在两个主轴方向上分别考虑了水平地震作用，分析时考虑了偶然偏心的影响，分析采用振型分解反应谱法。

2.5模型建立

采用 PKPM 分别建立结构模型，如图2所示，框架模型 A1以及框剪模型 A2，框剪结构中剪力墙的布局如图2（ A2）所示（由于功能需求，主要集中在电梯间、楼梯间和建筑周围）。根据计算，在规定的水平力作用下，框剪结构的底层框架部分承受的地震倾覆力矩占结构总地震倾覆力矩的30%，因此它是标准的框架－剪力墙结构。

3数据分析

选取三个框架柱及结构整体进行分析。

3.1框架结构抗震影响分析

依据前文框架模型分析水平地震作用下竖向构件的地震剪力以及框架总剪力，见表2～表4所列、如图3～图5所示。

3.1.2  Y 向分析结果

3.1.3 框架层间剪力分析结果

（1）从图3、图4可知，框架结构中框柱不论 X 向、Y 向地震作用下随着楼层的增加剪力趋于逐渐减小变化趋势；（2）从图5可知，地震作用楼层层间剪力，随着楼层的增加剪力趋于逐渐减小变化趋势；综上不论单个竖向构件剪力或是楼层层间剪力，它们变化趋势吻合，越靠近结构底层所受樓层间剪力越大，底层每个框柱分配到的剪力也就越大；（3）框柱3，一层的剪力小于二层剪力，分析得出一层框柱3相邻跨开大洞，Y 向没有框梁和楼盖的联系，使构件周边刚度变小，楼层层间剪力分配到此框柱时，剪力是小的。

3.2框架－剪力墙结构抗震影响分析

依据前文框剪模型分析水平地震作用下竖向构件的地震剪力以及框剪结构中框架部分、剪力墙部分剪力，见表5～表7所列、如图6～图8所示。

3.2.1  X 向分析结果

3.2.2  Y 向分析结果

3.2.3 框剪层间剪力分析结果

（1）从图6、图7可知，框剪结构中框柱受 X 方向、Y 方向地震作用时，结构底层剪力增大后，随着楼层增加剪力趋于平稳，剪力变化不大；（2）从图8可知，当在框架结构中增加部分剪力墙时，各楼层层间剪力主要由两部分组成，一部分为框架承担的楼层剪力，一部分为剪力墙承担的楼层剪力。结构下部剪力墙明显承担的剪力较多，随着楼层的增加，剪力墙和框架部分所承担的剪力差距逐步缩小。

4抗震剪力因子数K

为便于研究，引入剪力系数 K，采用框剪结构中框柱剪力与框架结构中框柱剪力比值。如公式（1）：

式中：VKJ 框剪结构框柱地震作用剪力；VK 框架结构框柱地震作用剪力。

具体分析见表8～表9所列、如图9～图10所示。

4.1 X 向抗震剪力因子数

4.2向抗震剪力因子数

由图9、图10可知，地震作用下框剪结构中框柱剪力比框架结构中框柱剪力减少近40%～60%，而降低的这部分剪力主要由剪力墙承受。结构在两个主轴方向的刚度和承载力相差也不大，因此这种双重抗侧力体系结构，在抵抗地震作用时结构安全度也是很高的。

5位移

（1）由图11可知，地震作用下楼层层间位移，框架结构在下部位移大，随着楼层增加，位移呈现增大趋势，结构上部位移逐渐减小；而框剪结构在结构下部位移较小，随楼层增加，位移逐渐增大且趋于平缓，结构上部位移有减小趋势；（2）从分析得出框剪的位移比框架的位移小，框剪在协同工作时，由表10可以看出，在水平荷载作用下，这种框剪型变形的协调促使两者之间产生相互制约的力，结构下部楼层因剪力墙变形小，它限制了框架变形，承受了大部分剪力，从而减小了框架的层间位移。结构上部几层剪力墙变形逐渐越大，而框架的变形逐渐变小，除了承受原有的剪力外，框架还要承担拉回剪力墙额外的剪力。由于框架剪力墙结构的变形特性，使结构下部的变形比框架结构小，而上部的变形则要比剪力墙结构小，这样一来，结构各层的变形就变得更加均匀，比单独某种结构的变形特性更加优异。

6结论

综上所述，通过研究主要结论归纳为以下几点：

（1）框架结构在地震作用下剪切影响随高度减小，整体变形曲线以剪切变形为主。从框架结构图表得知，框架结构必须能承受纵横二向的水平荷载，这就要求纵横二向的框架必须具有足够的侧向刚度和水平承载力。按照《高层建筑混凝土结构技术规程》，混凝土框架应设计成双向梁柱抗侧力体系[1]，因此结构设计时不应采用单跨框架，单跨框架结构因其结构冗余度较低，容易产生震害，且震害比较严重[2]。

（2）在建筑物局部增设剪力墙结构后，地震作下剪切影响在结构下部有激增趋势，在一定高度达到峰值后趋于平缓，整体变形曲线介于弯曲型与剪切型之间。证明框架与剪力墙之间的这种协同工作是呈现有利趋势，从而有效地提高了整个结构的侧移刚度，并且使整体内力分布更加趋于合理。

（3）经过引入抗震剪力因子数，对比分析因子数趋势，框剪结构中的框柱地震作用影响比框架结构减少40%～60%，证明剪力墙发挥具体的作用，承担了地震作用引起的大部分剪力，更加说明了剪力墙相较于框架，具有平面内刚度较大、强度高及整体性好的优点，所以该种局部设置剪力墙的结构体系的抗震性能是显著的，也说明基于结构本身更优的局部剪力墙设置是行之有效的。

（4）根据位移曲线分析结果，框架结构随着楼层增加层间位移变大，结构侧移刚度减小，使非结构构件在地震时更加容易破坏，从而也证明了结构体系适用于多层及高度有限的高层建筑，这也是限制框架结构适用高度的原因。反之通过在框架结构中局部增设剪力墙，提高结构局部刚度，来影响结构整体的性能，可在结构抗震设计思路中，形成主次分明的抗震逻辑，在重点区域及结构抗震的薄弱面设置强有力的抗力结构，在地震作用时能够与之相适应的有效抵抗地震。

（5）由于在结构设计中建筑物抗震多道防线的设计概念早已形成，当建筑物遭受地震影响时，仅设置一道抗震防线，这道防线如果冲破，将会导致建筑物倒塌。一旦建立起第二道甚至第三道抗震屏障，则可以较好地确保建筑物在地震影响下的安全性。显然结构设计抗震的优越性和合理性自然凸显出来。

结合抗震的重要性，比较分析两种结构体系的数据结果。虽然框架结构和框剪结构在平面布置都具有灵活性，具有较大空间等特点，但分析两种结构体系层间剪力图表、层间位移表后发现，在建筑高度一定的情况下，框剪结构抵抗地震剪力比框架高出30%，这个优势非常明显，显然框剪结构层间剪力增大的情况下，层间位移反而减小。可以认为框剪结构整体側移刚度显著增强。进而说明同等情形下，框剪结构中框柱的抗震表现需求明显下降；从而提供了可优化的空间。

（6）基于本论述分析，对于剪力墙结构体系笔者认为下一步对于建筑物平面竖向规则性、高宽比等方面进一步展开研究，并深化剪力墙结构的研究。

参考文献：

[1] 高层建筑混凝土结构技术规程.JGJ 3-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2] 史庆轩，梁兴文，童岳生.高层建筑结构设计（科学社第二版）[M].北京：科学出版社，2012.

[3] 梁兴文，史庆轩.混凝土结构设计（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[4] 郭继武.建筑抗震设计（第三版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[5] 何军伟.不规则框架—剪力墙结构抗震性能的分析研究[ D].杭州：浙江大学，2012.

[6] 童岳生，童申家.框架—剪力墙结构在水平荷载作用下的协同工作计算[J].工程抗震，1989（1）：20-24.

[7] 魏忠泽，秦桂娟.框剪结构体系中剪力墙的合理数量[J].沈阳建筑工程学院学报，1996，12（2）：220-227.