框架—剪力墙结构和剪力墙结构在结构设计上的区别

魏志宏

摘要：文章通过结合笔者多年的工作经验，总结框架-剪力墙结构和剪力墙结构的受力特性，在此基础上，针对框架-剪力墙结构和剪力墙结构在结构设计上的区别进行了分析与研究，旨在为了找出这两种结构型式在经济性和合理性上的区别，以达到结构选型合理应用的效果。

关键词：框架-剪力墙结构；剪力墙结构；结构设计；受力特性；适用高度；经济性；实用性；区别

1 引言

自从2005年以后，一般的住宅小区建筑层数都超过10层，建筑物的总高度都在30m以上，这些建筑都属于高层建筑。对于这些建筑，若采用一般的纯框架结构已经很难满足结构刚度、空间使用、建筑功能、经济性等现实要求。根据上述情况，框架-剪力墻结构和剪力墙结构可以解决框架结构所遇到的问题。对于框架-剪力墙结构来说，可根据使用空间和不同的建筑功能要求灵活布置框架柱和剪力墙，同时由于剪力墙具有很大的侧向刚度，可以满足高层建筑结构刚度的需求。相对而言，剪力墙结构的平面布置就稍显局促，不过亦可根据建筑平面的划分，合理布置剪力墙；同理由于剪力墙本身具有很大的侧向刚度，故亦能很好的满足建筑物的刚度需求。本文结合笔者的工作实践，主要论述了框架-剪力墙结构和剪力墙结构在结构设计上的区别，仅供大家参考。

2 框架-剪力墙结构和剪力墙结构的简单定义

2.1 框架-剪力墙结构

所谓框架-剪力墙结构，是由框架和剪力墙组成的结构体系。在这种结构中，剪力墙的侧向刚度比框架的侧向刚度大得多。由于剪力墙侧向刚度大，因而承受水平荷载的主要部分；框架有一定的侧向刚度，也承受一定的水平荷载。它们各承受水平荷载的多少，主要取决于剪力墙与框架侧向刚度之比，但又不是一个简单的比例关系。这种由框架和剪力墙两部分共同组成的，但又同时具有框架和剪力墙受力特性的结构型式，就称为框架-剪力墙结构。

其中框架部分由梁、柱形成框架。框架柱可布置于建筑的角部、建筑的装饰柱位、建筑的竖向线条位置；而剪力墙可以利用公共空间电梯井、楼梯间、管道井等部分墙体灵活布置；故可以不占用建筑的使用空间。

2.2 剪力墙结构

用钢筋混凝土剪力墙（用于抗震结构时也称为抗震墙）承受竖向荷载和抵抗侧向力的结构称为剪力墙结构，又称抗震墙结构；亦可看作是指利用钢筋混凝土墙板来代替框架结构中的梁柱，故剪力墙结构具有很大的抗侧刚度。

剪力墙结构可根据建筑平面布置于建筑角部的外墙、建筑房间的分隔墙、公共空间电梯井、楼梯间、管道井等。相对框架-剪力墙结构来说，剪力墙结构的布置一定程度上说会影响建筑的空间使用。若业主购房后欲打掉墙体重新分隔建筑空间时，内墙的布置就显得尴尬，故内墙的布置合理与否，则需要结构工程师具有一定的前瞻性。

3 框架-剪力墙结构和剪力墙结构在结构设计上的区别

3.1 受力特性

为了说明问题，不妨先把对于框架-剪力墙结构拆开成框架和剪力墙两个独立部分（图1）。图a剪力墙是一个竖向悬臂梁，在水平荷载作用下，变形曲线如图a中实线所示，以弯曲变形为主，框架在水平荷载作用下的变形如图b中实线所示，是以剪切形（即类似于梁的剪切变形曲线）为主的。但是，框架-剪力墙结构是互相连接在一起的一个整体结构，并不是独立分开的，因此，它的变形曲线就不会像图a、b那样，而是介于弯曲型和剪切型之间的一种中间状况。为了清楚起见，将它重画在。a为剪力墙单独变形的曲线，b为框架单独变形的曲线，c为框架-剪力墙结构协同变形的曲线。可以看出，在结构的上部剪力墙的位移比框架要大，而在结构的下部，剪力墙的位移又比框架要小。在结构下部，框架把墙向右边拉，墙把框架向左边拉，因而框架-剪力墙的位移比框架单独的位移要小，比剪力墙的单独位移要大；在结构上部，与之相反，框架把墙向左边推，墙把框架向右边推，因而框架-剪力墙的位移比框架的单独位移要大，比剪力墙的单独位移要小。

3.2 建筑物高度适用范围

框架-剪力墙结构与剪力墙结构因都布置了剪力墙，故都具有较大的侧向刚度。《建筑抗震设计规范》规定这两种结构型式的最大适用高度限值相近（详《抗规》表6.1.1）。框架-剪力墙结构吸收了框架结构和剪力墙结构的受力特点，在结构抗震设计中，框架-剪力墙结构中的剪力墙是第一道防线，框架为第二道防线。剪力墙结构由于整体的侧向刚度大，能够保证建筑物在遭遇震动时水平侧移较小，从而具有较好的抗震性。但是，较大的刚度反而会使剪力墙结构的自振周期缩短，承受的地震力较大。

框架-剪力墙结构一般适用于20层左右的建筑物；而剪力墙结构则适用于25层以上40层以下的建筑物。20层左右的建筑物，若布置成剪力墙结构，一般而言结构的整体刚度会偏刚；从而带来的后果是结构的层间位移角偏小，结构的整体用钢量会偏大（不经济，甲方有意见）。这时若盲目地企图通过缩短剪力墙的长度来减弱结构的整体刚度，会把一般剪力墙缩短为短肢剪力墙。由于短肢剪力墙受力性能上的缺陷，若因布置过多的短肢剪力墙从而令短肢剪力墙承担较大的底部倾覆力矩是不允许的。《高层建筑混凝土结构技术规程》规定在规定的水平地震作用下，短肢剪力墙承担的底部倾覆力矩不宜大于结构底部总地震倾覆力矩的50%（详7.1.8条）。这时框架-剪力墙结构就能很好的解决上诉难题。工程师可根据建筑平面的实际情况布置剪力墙和框架柱（具体如何布置，上文已有所阐述），从而令两者组成整体的抗侧向体系，同时调配好框架和剪力墙所承受的底部倾覆力矩的比例（具体详《高规》第8.1.3条），既能满足结构刚度需求又能满足经济性的要求。25层以上40层以下的建筑物对结构整体刚度的需求大，工程师若选用剪力墙结构，就能充分发挥剪力墙结构整体刚度大的优势。同时剪力墙不宜过长，较长的剪力墙宜设置跨高比较大的连梁将其分成长度较均匀的若干墙段，各墙段的高度与墙段长度之比不宜小于3，墙段长度不宜大于8m（详《高规》第7.1.2条），从而避免由于单幅剪力墙过长承担过多的倾覆力矩而导致剪力墙混凝土压坏。

4 结束语

本文通过对框架-剪力墙结构和剪力墙结构的分析，探讨了框架-剪力墙结构和剪力墙结构在受力特性以及适用高度上的区别，并根据个人的工作经验总结了两者在经济性和实用性上的差异，以实现结构选型上的合理应用。