多层框架结构布置少量剪力墙的设计

薛凤飞

摘 要：因纯框架体系无法满足弹性层间位移角的要求，需布置极少量的剪力墙，体系为比较特殊的框架结构。设计时需要从结构抗震概念出发，理解规范隐含的要义，加强计算手段，注重细节处理，从而能够达到安全、合理的设计目标。

关键词：框架结构；少量剪力墙；弹性层间位移角

引 言

对于少数体型相对特殊的框架结构，经试算不能满足构弹性层间位移角的要求，通过调整梁柱截面或构件布置也不易实现对体系位移的改善。在合适的部位设置极少量的剪力墙，则比较容易实现对结构位移的控制目标。但鉴于如此设计所形成的特殊的结构形式，现行规范没有明确的系统的论述，故需要谨慎、细心的进行。

1 工程实例

1.1 工程概况

扬州市体育运动学校位于扬州市西区（抗震设防类别为乙类，抗震设防烈度为7度，基0.15g，第一组，场地类别为Ⅱ类），其中D区中长跑基地建筑面积6400m2，六层框架结构，总高度23.50m。建筑平面呈两块矩形45°斜交，经设缝将结构划分为2个结构单元，其中右边单元为“入”字形平面的结构单元，即本文所论及的部分。

1.2 初步方案

1.2.1 纯框架计算

按纯框架体系建模计算，判别计算结果：

（1）周期指标满足；

（2）位移指标不满足。Max-Dx/h=1/742，Ratio-（X）=1.29；Max-Dy/h=1/519，Ratio-（Y）=1.43；

（3）相邻层侧移刚度比值、楼层抗剪承载力比值等符合要求；

（4）规范的其他构造要求也能满足，构件配筋正常。

1.2.2 解决方向

查阅详细的位移输出文件，发现位移不满足的节点集中在结构单元端部，端部的抗侧移刚度偏小。为此需加强此部位的结构抗侧刚度，减小端部位移。

1.2.3 方法选择

首先调整柱、梁截面，效果并不明显，这是由于建筑平面本身的特性造成的，需要对端部的Y向刚度做大幅增加才能解决问题。在这个位置有电梯，可在Y方向布置少量剪力墙，如图1、图2所示。

1.3 分析论证

1.3.1 概念分析

从抗震规范的设防思想-“三水准的设防目标”和为实现这个目标而采取的“两阶段设计步骤”进行分析：

（1）对应三个水准即小震不坏、中震可修、大震不倒，明确本工程结构设计需要满足的建筑性能要求；

（2）对应两个设计阶段即绝大多数结构进行多遇地震作用下的结构和构件承载力验算和结构弹性变形验算，对一些规范要求的特定的结构进行罕遇地震下的弹塑性变形验算。本工程视为比较特殊的结构，除进行第一阶段的设计外，也必须进行第二阶段的设计，这样才能达到三水准的设防目标。

1.3.2 文献分析

（1）《抗规》

6.1.3.1条：设置少量抗震墙的框架……抗震等级按框架结构确定。本工程布置剪力墙后1～3层柱倾覆弯矩百分比为X向：95%，96%，97%；Y向：76%，81%，85%。X向框架处于绝对主导地位，Y向剪力墙的重要性有所增加，但其倾覆弯矩百分比<25%，仍然处于次要地位，据此可以确定框架部分的抗震等级。

6.1.4.2条：框架结构可在抗震缝两侧……按不利情况取值。本工程设置在端部两道剪力墙，与规范设置“抗撞墙”的概念相当，布置少量剪力墙仅为减小位移，设计时按纯框架与有墙框架的不利情况包络设计。

（2）朱炳寅《配置少量剪力墙的框架结构》

文章对此类结构设计的相关问题的表述值得借鉴，主要提出了规范未明确的问题及相关的设计建议，经归纳主要有以下3条：

①对布置少量剪力墙的框架结构的定量把握

布置少量剪力墙的框架结构与剪力墙较少的框架-剪力墙结构在定量上无明确的界限，对结构体系的定性把握的摇摆性加大了对结构体系描述的随意性。其后给出了对少量剪力墙的定量把握原则：当框架的倾覆力矩不小于结构底部倾覆力矩的75%时，可将其确定为配置少量剪力墙的框架结构。

②适用高度规范未予以明确。文章建议对布置少量剪力墙的框架结构的最大适用高度可比框架结构的最大适用高度适当提高，提高幅度不超过20%。（笔者认为对此可偏安全执行框架结构相应的适用高度）

③规范规定了考虑剪力墙与框架的协同工作原则，但未明确对剪力墙和框架的具体设计方法。

笔者从抗震设防思想的两阶段设计步骤角度出发认为：设置剪力墙的根本目的是控制框架结构的弹性位移值，即多遇地震作用下需计算剪力墙与柱协同工作时的承载力验算和结构弹性变形验算；而在罕遇地震下应允许剪力墙开裂、刚度退化，可按剪力墙完全退出工作的最不利的情况进行弹塑性变形验算。按照这样的理念进行计算，剪力墙为构造配筋，抗震等级可比框架结构低一等级。

1.4 设计过程

经过以上的分析论证，对本工程的设计目标与设计手段有了明确的认识。在具体的设计过程中，按照下述的步骤与方法实现设计目标：

（1）确定标准：明确本工程为框架结构体系，设置少量剪力墙仅为改善体系在多遇地震作用下的抗侧移性能，框架的抗震等级按《抗规》中框架结构确定为二级，少量剪力墙的抗震等级为三级。

（2）计算方法：

①对框架部分：在弹性变形阶段，不计入剪力墙按纯框架結构和计入剪力墙按框架-剪力墙结构分别计算，包络设计；在弹塑性变形阶段，考虑剪力墙完全退出工作的最不利情况进行变形验算；

②对少量剪力墙：在弹性变形阶段，按剪力墙与框架协同工作计算；在弹塑性变形阶段，剪力墙开裂退出整体工作。

（3）细部处理：

①与剪力墙相连的柱及结构单元的边柱按设置“抗撞墙”的要求箍筋全高加密；

②少量剪力墙的构造按框剪结构中剪力墙部分的要求执行；

③在满足弹性阶段受力的前提下，尽可能弱化剪力墙，以期实现弹塑性变形阶段剪力墙退出工作，与之对应将布置剪力墙区域的框架部分可适度加强。

（4）设计结果：多遇地震作用下框架、剪力墙协同工作时Max-Dy/h提高至1/796，Ratio-（Y）为1.27，很好的改善了体系的抗侧移性能；罕遇地震作用下纯框架的弹塑性层间位移角X向为1/82，Y向为1/77，均能满足规范要求。

2 结论与建议

2.1 综合结论

从抗震概念出发确定“配置少量剪力墙的框架结构”的设计性能目标，从现有规范的条文充分理解其内含的要义，明确设计原则，加强计算手段，注重细节处理，需要多方面分析论证，才能够保证结构的安全性。

2.2 笔者建议

对于此类规范没有明确的系统性规定的特殊结构，在设计原则及具体设计中存在不确定因素，给结构设计和施工图审查带来相当的困难，结构设计中应尽量避免采用，尽可能采用概念清晰、便于操作且抗震性能较好的结构体系。

参考文献

[1]《建筑抗震设计规范GB50011-2010》建筑工业出版社.

[2]《高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010》建筑工业出版社.

[3]《建筑抗震设计手册（第二版）》建筑工业出版社.

[4]朱炳寅.《配置少量剪力墙的框架结构》建筑结构-技术通讯2007.5.