浅谈框架-剪力墙结构设计

朱治

摘要：框架-剪力墙结构体系具有灵活组成使用空间的优点，比较容易满足建筑物的使用要求，而且框架-剪力墙结构体系有较高的承载力，较好的延性和整体性，并且有很强的吸收地震力的能力，从而大大减小了结构本身的侧移，因此在实际工程中得到广泛的应用。

关键词：框架-剪力墙；结构设计；地震影响

城市高层建筑的结构设计大多采用框架-剪力墙结构体系，这种体系由钢筋混凝土框架和钢筋混凝土剪力墙两部分组成，框架的梁柱为刚接，框架与剪力墙可为刚接，也可为铰接。

1框架-剪力墙结构的受力特性

框架结构的变形特性具有剪切型的特点，位移越往上增大越慢，呈内收形开口曲线，其变形曲线为剪切型，在纯框架结构中，所有框架的变形曲线都是类似的。剪力墙结构的位移曲线具有悬臂弯曲梁的特征，位移越往上增大越快，呈外弯形开口曲线。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。

而在框架-剪力墙结构中，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，以至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)。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形曲线，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，抵挡剪力墙的外拉变形，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，在结构设计中具有很强的适用性。框-剪结构中框架、剪力墙的受力特性可以用结构刚度特性值λ，即框架刚度与剪力墙刚度的比值来表达。若忽略连梁约束和轴向变形的影响，有：

其中，H为建筑总高度；Cf为框架平均总刚度；EIw为剪力墙折算总抗侧刚度。

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，也就是说剪力墙用量过多，此时，结构刚度增大，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，剪力墙数量增多对抗震有利，但超过必要限度也是不合理和不经济的，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，结构变形曲线呈剪弯型，也就是说剪力墙用量过少，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，剪力墙刚度不能过小，应使λ≤2．4。

2框架-剪力墙结构体系

框架剪力墙结构的选型布置设计中要注意以下几个方面。

2.1剪力墙的部位

框架剪力墙结构中，框架、剪力墙两种变形性质不同的结构协同工作，使整体结构的抗侧刚度、抗侧能力大大提高，但与此同时楼屋盖受力较大，水平力将通过楼屋盖在框架柱、剪力墙两种结构体系中互相转移。

剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向或多向布置，不同方向的剪力墙宜分别联结在一起，应尽量拉通、对直，以具有较好的空间工作性能；抗震设计时，应避免仅单向有墙的结构布置形式，宜使两个方向侧向刚度接近，两个方向的自振周期宜相近。剪力墙平面布置应尽可能做到规则，避免过大的扭转效应。

剪力墙的侧向刚度及承载力均较大，为充分利用剪力墙的能力，减轻结构自重，增大结构的可利用空间，剪力墙不宜布置得太密，使结构具有适宜的侧向刚度；若侧向刚度过大，不仅加大自重，还会使地震力增大，对结构受力不利。

剪力墙宜自下到上连续布置，避免刚度突变；允许沿高度改变墙厚和混凝土强度等级，或减少部分墙肢，使侧向刚度沿高度逐渐减小。剪力墙沿高度不连续，将造成结构沿高度刚度突变，对结构抗震不利。

当剪力墙数量较少时，应力集中的现象突出。剪力墙还应在整体结构两个主轴方向都均匀设置。使整个结构在两个主轴方向都呈框剪特性，这样有利于增大结构整体空间刚度和抗震、抗风。

2.2剪力墙的合理数量

框架剪力墙结构有其自身的固有特性，它既不同于纯框架结构，又不同于纯剪力墙结构：要使框剪结构合理有效、可靠工作，剪力墙的数量决不能随心所欲，而应有一定的合适数量。

根据框-剪结构刚度特征值有：

其中，EIw为剪力墙总刚度；EcIc为框架柱总刚度；n为建筑物总层数；h为建筑物层高；α为框架节点转动系数，底层柱α=(0．5+i)／(2+i)，i为框架节点粱柱线刚度比。

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、框架节点转动系数口便可算得。根据框-剪结构的受力特性，要求1．15≤λ≤2．4。这样，把上述数据代入公式，便可求得所需剪力墙的总刚度EJ。从而求得剪力墙的合理用量。

2.3剪力墙的构成

框架剪力墙结构中剪力墙承受水平荷载作用下的绝大部分基底水平剪力和大部分总倾覆弯矩。其构成要遵循下列原则：1)宜墙面完整并设翼缘或端柱，在端柱或翼缘部分纵筋加强，约束箍筋加强；2)剪力墙不宜过长秃头，而应相对短些，每片剪力墙的高长比(墙的总高与总长之比)宜控制在小于8~10，以减小剪力墙的剪切变形影响，发挥剪力墙的弯曲特性；3)轴压比要适宜，一般在垂直重力荷载下组合设计压力产生的轴压比宜控制在0．5左右，使之与框架柱的轴压比比较接近，以减小高层结构在垂直重力荷载作用下产生的二次应力的影响。

2.4框架的构造要求

框架剪力墙结构中框架梁柱的截面尺寸仍宜按框架结构的要求来控制，以保证框架结构仍具有较好的抗侧能力和延性。但如果框架剪力墙结构中剪力墙的数量与设置合理，框架结构水平荷载下受力状态大大改善，则框架梁柱的截面尺寸可适当减小，框架抗震构造等级也可相应降低。

3剪力墙对框架-剪力墙结构抗震性能影响

框架-剪力墙结构是由框架和剪力墙两种变形形式不同的结构组成，而且其侧向力主要由剪力墙承受，故只要剪力墙具有良好的变形能力和抗力性能，特别是剪力墙根部的变形能力较好，就可以有效地保证整个结构的变形能力。剪力墙的存在可以使各层的塑性变形集中现象减少，而且剪力墙使得框架-剪力墙结构增加了滞回耗能能力，使强度、刚度退化不是很严重，增强了抗震性能。

框架-剪力墙结构同时具有框架和剪力墙的特点，在结构合理布置的情况下，可以充分地发挥两者的优点，并且可以互补缺点，使结构具有较大的抗侧刚度。剪力墙作为抗震的“第一道防线”显得尤为重要，因此，剪力墙的数量和合理布置在很大程度上决定了结构的安全性，这也为设计提出了更高的要求。

4结束语

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。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。

参考文献：

[1lJGJ3—2002高层建筑混凝土结构技术规程[s]

[2]王昌兴．建筑结构抗震设计及工程应用[M]．北京：中国建筑工业出版社，2008．