框架剪力墙结构二道防线调整

景毅

摘要：框架剪力墙结构二道防线调整可有效提高建筑工程的抗震性能，保证结构安全。框剪结构中剪力墙是第一道防线，框架是二道防线。设计时，要根据规范的原则来设置二道防线，保证二道防线具有一定的抵抗水平荷载的能力，防止第一道防线剪力墙进入塑性造成结构整体破坏。本文以笔者设计的某高层框架剪力墙结构为案例，阐述二道防线的调整理论和方法。

关键词：框剪结构；抗震设计；二道防线调整

引言：

框架剪力墙结构中剪力墙的布置较剪力墙结构灵活，在具有一定刚度和抗震性能的同时，可以满足不同使用功能的要求，在办公、公寓、商业、酒店等高层建筑中得到大量应用。框剪结构在设计时，需设置二道防线，防止设防地震或大震发生时，一道防线进入塑性失去承载能力后结构整体破坏。二道防线的设置，应符合《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016年版）和《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010中的相关规定。

1.框剪结构二道防线调整的作用

框架剪力墙结构是由框架和剪力墙两种力学性能不同的抗侧力构件构成，共同抵抗水平及竖向荷载。它的受力特点不同于框架，也不同于剪力墙在剪力墙结构中的受力特点。因为框剪结构底部楼层剪力墙的位移较小，剪力墙主要承担水平作用，上部楼层剪力墙的位移比较大，具有外倾倾向，框架具有内收作用，框架阻止剪力墙按照剪切曲线变形。剪力墙不仅承担上部楼层的水平作用，还需给框架提供附加水平剪力[1]。框架部分的抗剪能力远小于剪力墙部分，因此在遭受地震时，由剪力墙来承担主要地震作用，框架辅助受力作用很小，剪力墙是承受水平作用的第一道防线。在小震作用下，剪力墙的基本不开裂或开裂较小，刚度损失较小。当承受中、大震作用时，剪力墙刚度退化严重，进入塑性，剩余地震作用将转移作用到框架，框架成为第二道防线。根据抗规、高规的要求，设计二道防线时，要考虑框架结构塑性变形内力重分布特点，要求结构具有一定的延性和弹性，可以满足结构变形等要求，所以在设计时需对框剪结构进行二道防线调整。

2.国内外关于二道防线调整的差异

2.1国内规范对二道防线调整要求

抗规和高规要求对框剪结构对应于地震作用标准值的各层框架总剪力进行调整，具体计算公式如下：Vf=min（0.2V0，1.5Vf。max），其中V0为对应地震作用标准值的结构底层总剪力，Vf为对应地震作用标准值的各层框架承担的地震总剪力（未经过调整的）。

2.2国外规范对二道防线调整要求

《美国统一建筑规范UBC》对高层建筑框架剪力墙结构体系提出以下要求：1、高层建筑应具有完整的结构体系来支承担竖向荷载作用。2、当遭受地震作用时，剪力墙和框架共同承担水平地震作用且框架应至少具备承担25%的基底水平剪力的能力。3、设计时要充分考虑框架和剪力墙的相互影响，提高框架剪力墙的整体刚度。根据相关研究，框架承担25%的基底剪力，可以确保结构在大震下依然可以承担建筑重力荷载，建筑结构的抗倒塌性能良好[2]。

3．框剪结构二道防线调整案例

3.1工程概况

以笔者设计的银川市还建五里宜居友爱保障性住房2#廉租公寓为案例，本例为地上23层，地下1层，平面尺寸为47*18.8m，建筑高度为90m，结构形式采用框架剪力墙结构，抗震设防烈度为8度0.20g，设计地震分组为第二组，场地类别为II类，设计使用年限为50年，抗震设防类别为标准设防类，安全等级为二级，框架及剪力墙抗震等级均为一级。经计算，底层内力CQC的框架柱及短肢墙地震倾覆力矩百分比计算结果如下：X向框架承担的倾覆力矩为21.35%，Y向框架承担的倾覆力矩为13.74%，均大于10%，小于50%，属于标准的框架剪力墙结构。下图为X向框架剪力按楼层在弹性CQC--0.2v0--UBC分布情况。

3.2二道防线调整方法

规范要求框架部分具备承受至少20%基底地震剪力的能力。在结构设计中，要将20%基底剪力以倒三角形荷载的分布模式作用在剪力墙面内，按剪力墙相对面内刚度得到的框架层剪力进行包络设计，但这种调整模式，从上图中可以看出忽视了楼层剪力分布规律，得到的结果不完全符合结构的实际受力特征。因此，需要对框架剪力墙的框架剪力进行调整，下图为X向框架剪力调整系数按楼层在0.2v0—UBC—中震弹塑性的分布情况。

从上图中可以看出，0.2V0调整系数按楼层高度出现了“中间小，两边大”哑铃形的分布特征，这是由于框剪结构中部楼层框架增加了承受水平荷载的作用，所以需要调整的系数比较小。案例选取代表楼层的X、Y向0.2V0调整系数如下：

通过表格可以得出以上结论。

3.3框架柱剪力调整方法

从框剪结构的层间位移角、框架剪力最大值、剪力墙弯矩及变形曲线的拐点位置，可得出变形曲线拐点位置以上的剪切变形是框剪结构剪力变形最大的地方，上部楼层剪力值大于下部楼层。上部楼层因剪力墙的弯曲变形，框架成为抵抗水平剪力的主要构件，所以需调整框架剪力，形成二道防线，保证框架具备一定的承担地震水平剪力的能力。根据框剪结构抗震弹性模量分析，发现顶部楼层所承受的水平剪力沿框架转移到剪力墙，水平剪力的转移方向和底部相比完全不同，所以实际上层楼层剪力墙被破坏的程度并没有底部结构破坏严重，可以满足规范要求。根据“强剪弱弯”的原则，在设计时，可以提高上部楼层框架剪力墙的延性，从而确保上部楼层框架变形承载力。

受剪变形曲线拐点是框剪结构变形的关键节点，拐点以下主要以弯曲变形为主，中、大震时出现塑性变形。调整时，可以把拐点作为界限将框架剪力墙分成两段分别进行调整。在多遇地震作用下得到结构承受剪力最大的楼层，将该层作为变形曲线的拐点，其下的楼层按照规范要求调整，其上的楼层考虑楼层剪力调整系数[3]。经过二道防线调整后，案例X方向地震作用下楼层最大位移为1/1017，Y方向地震作用下楼层最大位移为1/969，满足规范1/800的规定。

结束语：

综上所述，案件在结构设计时，在满足高规、抗规中层间位移角限值的要求下，进行二道防线调整，保证第二道防线框架的抗震性能，保证高层建筑结构的延性，确保小震不坏、中震可修、大震不倒的三阶段抗震设防目标的实现。

参考文献：

[1]毕杰刚.框架-核心筒结构楼层地震剪力调整方法的对比分析[D].重庆大学,2014.

[2]田淑明.框架-核心筒结构的框架内力调整方法对比研究[J].建筑结构学报,2017,(5):100-108.

[3]赵刚.盛京金融广场项目T3塔楼——带裙房塔楼结构二道防线设计特点[J].建筑工程技术与设计,2017,(12):1575-1575.

作者简介：姓名：景毅（1974.12.23--），性别：男；籍贯：山西；民族：汉；学历：本科；职称：高级工程师；职务：副总工程师；研究方向：建筑结构设计；单位：银川市城市规划设计研究院有限公司。