探析高层建筑框架剪力墙结构设计

向永强

【摘 要】 随着国家经济的不断进步以及城市化建设的不断发展，我国高层建筑施工建设取得了重大进步。框架剪力墙结构作为高层建筑结构施工的重要环节，直接影响到高层建筑结构施工质量以及效益。尤其是近几年，框架剪力墙结构早已广泛的运用到现代高层商业、办公以及住宅建筑的设计当中。新时期新背景下加强对于高层建筑框架剪力墙结构设计的研究有着重要的现实意义。本文旨在研究高层建筑框架剪力墙结构设计问题，针对出现的问题提出相应的解决策略，为我国高层建筑施工企业在框架剪力墙结构设计方面的进一步开展提供一些可行性的思路。

【关键词】 高层建筑；框架剪力墙；结构设计；策略探析

在高层框剪结构中，剪力墙是主要抗侧力构件，几乎承担了80%的水平地震作用，剪力墙刚度的大小将直接影响到结构的安全性。在结构设计时，框剪结构中剪力墙的数量，除了必须满足强度条件外，还必须使结构具有一定的侧向刚度，以免在地震作用下产生过大的侧向变形。剪力墙配置过少，会因结构产生过大的变形而无法满足安全要求；剪力墙配置太多，又减少了结构自振周期，地震作用效应增大。所以，确定剪力墙数量是关系结构安全和技术经济最为关键的问题。本文主要研究高层建筑框架剪力墙结构设计问题，为我国高层建筑施工企业在框架剪力墙结构设计方面的进一步开展提供借鉴。

一、 剪力墙的分类及受力特点

剪力墙根据不同的分类标准，例如剪力墙开洞口大小、数量以及位置等，可以分为壁式框架、整体小开口墙、整截面墙、独立悬臂墙以及联肢墙等这五大类型。对于这五种类型的判断，理论上可以通过墙肢与组合截面惯性矩比、剪力墙整体系数以及脂墙系数等来判断，剪力墙整体系数是墙肢以及连梁的抗弯线刚度值，它的物理意义表现为，数值越小，梁越弱肢越强，数值越大，梁越强肢越弱。一般来讲，梁越强肢越弱的状况剪力墙的整体性能也就越好，连梁与墙肢的弯矩也就越大。对于梁越弱肢越强这类现象，还可以细分为两种情况。一种是墙肢强，但是梁要比肢更强，另一种是墙肢弱梁要比肢还要强，这才是真正的弱肢强梁。因此，在对剪力墙进行分类时，应该按照截面惯性矩比以及肢强系数进行判断。用数据来表示，当剪力墙整体系数大于10，截面惯性矩比小于脂墙系数时，大体上可以判定为整截面墙；当剪力墙整体系数大于10，剪力墙整体系数大于脂墙系数时，一般认定为壁式框架；当满足截面惯性矩比小于脂墙系数，剪力墙整体系数小于10时，则可以判定为联肢墙；但是，当剪力墙整体系数小于1时，基本上可以断定为独臂墙。这几种剪力墙他们的受力特点是不同的。

总体上来讲，整体小开口墙以及整截面墙的整体性能较好，它们的受力性在一定程度上有些相似，例如它们的变形曲线都是弯曲型，它们的区别也是很明显的，主要区别在于整截面墙它的墙面不开洞，不出现反弯点，弯矩一般不会出现突变。整体小开口墙以及整截面墙对于墙肢的约束力很强，都属于那种脂墙梁更强的情况。例如，以L型对称剪力墙为例分析，L型对称剪力墙墙长1800mm，墙厚220mm，翼缘宽为420mm，16层，连梁净垮为1.3m，当梁的高度扩大到1200mm时，才可以基本满足剪力墙整体系数为10的要求。从这一系列的数据中我们可以看出，整体小开口墙以及整截面墙确实属于肢强梁更强的类型。

二、 框架一剪力墙结构中剪力墙设计

1、剪力墙布置

剪力墙的布置是有着一定的基本原则的，一般是周边、对称、分散以及均匀。首先，周边的原则。周边的原则指的是剪力墙设计以及布置应该充分考虑建筑物抵抗扭曲的能力，这样可以进一步保证平面中心以及刚度中心相吻合。例如，剪力墙布置在周边对称的位置，可以在不增加剪力墙面积的基础上增强剪力墙抗扭曲的能力，增强抗扭曲的内力臂。其次，分散原则。分散原则主要指的是剪力墙在进行布置时，应该注意剪力墙的墙片数不应该过少，而且要努力保证剪力墙的刚度，连续尺寸方面也不要太长，这样可以使得剪力墙分散一些，抗侧力构件数量多一些。这样，可以防止由于一片剪力墙局面破坏而导致剪力墙的整体抗扭曲力。同时，分散原则也有助于避免剪力墙受力过于集中，避免由于剪力墙负担过重而导致早期地面遭到破坏，对于剪力墙的整体发展极为不利。

2、确定剪力墙厚度

剪力墙厚度同样也是剪力墙设计中应该注意的关键问题。在框架剪力墙结构中，剪力墙最好有约束构建，也即是边框梁以及边框柱。剪力墙厚度都是有一定的规格的，在抗震设计时，一二级剪力墙底部厚度应该在220mm之上，而且一般要大于层高的十六分之一。对于其他情况，一二级剪力墙底部厚度不应该小于层高的二十分之一。同时，剪力墙厚度确定时，应该注意边框梁的宽度应该同剪力墙的厚度相一致，高度方面可以使墙厚的3倍。所以，要想获得科学合理的剪力墙厚度，应该充分的考虑结构安全以及经济合理等方面的要求。综合考虑到各种各因素，剪力墙的厚度应该在满足楼层高度二十分之一以及十六分之一的前提下，取值200mm最为合适。

3、确定剪力墙数量

剪力墙数量同样也是剪力墙设计中应该注意的关键问题，一般来讲，剪力墙数量主要是由许可位移决定的。按照高层建筑中一般装修的要求，框架剪力墙结构高应该是顶点位移的700倍，对于装修要求较高的，框架剪力墙结构高应该控制在顶点位移的850倍之内，在满足这些数据的前提下，进而进行增减剪力墙数量。同时，剪力墙数量还应该满足结构自振周期的要求。结构自振周期的合理范围计算方法如下：T1=（0.09-0.12）Ns。其中，Ns则指的是楼层的高度。为此，在进行剪力墙数量确定时，应该严格按照结构自振周期的合理范围计算方法进行。如果剪力墙数量多，框架剪力墙结构刚度就可以大一些，材料耗量也大一些，地震时周期短地震力度也应该加大些。据有关调查表明，当每m2楼面剪力强度小于50mm时，地震危害也就越大；在50mm-150mm之间，地震危害为中等水平；在150mm以上的话，地震危害则最轻。我国在每m2楼面剪力强度值取值方面还没有形成成熟的经验，在进行剪力墙数量确定时，我国的做法往往是根据建筑物的高度、工程具体情况、地区设防烈度以及其他参考系数进行。这中剪力墙数量确定方式尽管存在着一些问题，但是由于我国在这方面积累了丰富的经验，剪力墙数量确定也是极为可取的。

总结

综上所述，在进行高层建筑框架剪力墙结构设计时，结构平面布置必须考虑有利于抵抗水平和竖向荷载，力争均匀对称，结构竖向布置则必须做到结构的承载力和刚度宜自下而上逐渐减小，变化均匀。在此前提下，确定结构构件的合理截面尺寸，选择合适的计算软件进行计算分析，这样才能得到可靠、合理计算结果，为框架剪力墙结构设计打下良好的基础。我国高层建筑施工企业在框架剪力墙结构设计方面积累了丰富的经验，但是在实际的框架剪力墙结构设计中，很多问题仍然存在。为此，深入研究高层建筑框架剪力墙结构设计问题，为我国高层建筑施工企业在框架剪力墙结构设计方面的进一步发展，有着重要的意义。

参考文献

[1] 薛云飞，马晓霞.谈剪力墙结构设计中的几个问题[J]. 陕西建筑.2008（06）

[2] 郭兆伟.高层框架剪力墙结构抗震设计的技术要点分析[J]. 建材技术与应用. 2011（01）

[3] 胡志明.论框架—剪力墙结构的抗震设计[J]. 中国建设信息. 2011（05）

[4] 师希望，林顺青.某高层框架—剪力墙结构设计要点的探讨[J]. 科学之友. 2011（09）

[5] 张建勋，谷军，张帆.框架剪力墙结构的概念设计要点分析[J].建筑设计管理. 2011（10）