框架剪力墙结构和框架结构性能及经济性比较

张伟

【摘 要】框架剪力墙结构（以下简称：框剪结构）体系是框架结构和剪力墙结构的有机结合。框剪结构体系既可以灵活布置满足大跨度空间的需要，又有较大的刚度，而且能节省工程造价。针对框剪结构所具备的这些特点，从框剪结构体系的受力特点及经济性指标进行分析，对框剪结构体系的优越性进行论述。

【关键词】框架结构；剪力墙；经济性指标；优越性

在现代，框架结构、剪力墙结构广泛应用于各种建筑设计中。选用框架结构，建筑平面布置灵活，能获得较大跨度的空间。但在某些情况下，框架结构也存在自身的不足，为了获得较大跨度的空间，这就要求增大结构构件的尺寸来获得必要的结构刚度，以及选用高强度的钢筋和混凝土。這不仅增加了工程的造价，而且结构尺寸过大也会影响建筑的使用和美观。针对这些问题，我们可以尝试在框架结构中插入适量的剪力墙，改善结构的力学性能。

使设计师既能灵活自由的布置使用空间，满足不同建筑的功能要求；同时又有剪力墙提供足够的刚度，形成框架和剪力墙共同受力的结构体系。针对框剪结构所具有的优越性，我们来做一个框剪和框架两种结构体系性能的比较。

1设计计算：

本设计主体十二层（建筑长72.6m，宽24.0m，底层层高4.0m，标准层3.5m，总高度42.5m，混凝土强度等级为C40，钢筋为HPB335二级钢，荷载相同）

框架结构体系中，框架抗震等级为二级，一、二层框架柱尺寸700mm×700mm，三～五层650mm×650mm，六～八层600mm×600mm，九层以上500mm×500mm。

框架结构体系柱布置图

框架剪力墙结构体系中，一～四层框架柱尺寸600mm×600mm，五层以上500mm×500mm。剪力墙底层厚250mm，其他层200mm。剪力墙一般按照“均匀、对称、分散、周边”的原则布置。

框架剪力墙结构体系柱、剪力墙布置图

2结构抗震和材料比较：

在使用SATWE结构计算软件计算的过程中，我们得出了两种结构体系在地震力作用下的位移、周期、地震力、振型，及纯框架结构体系和框剪结构体系框架柱地震倾覆弯矩百分比。所得的数据如下：

2.1位移计算分析

框架结构SATWE位移输出文件

X方向最大值层间位移角：1/1279.Y方向最大值层间位移角：1/1092.

框剪结构SATWE位移输出文件

X方向最大值层间位移角：1/1989.Y方向最大值层间位移角：1/1938.

比较分析，在地震作用下框剪结构体系X、Y方向最大值层间位移角比纯框架结构体系的最大值层间位移角要小。经过比较结果不难看出，框剪结构体系整体刚度较纯框架结构体系的刚度要大，性能优于纯框架结构体系。

2.2周期、地震力与振型的比较

2.2.1纯框架结构体系

2.2.1.1周期、地震力与振型输出文件（取15个震型分析、侧刚分析方法），地震作用最大的方向=0.003（度）。在设计中，每三个震型为一组，第二组震型的周期与第一组震型的周期比值在1/3～1/5之间是比较理想的。这次比较==0.3466。

2.2.1.2根据抗震规范（5.2.5）条要求的X方向和Y方向楼层最小剪重比=1.60%，本组数据中，各层X方向的作用力（CQC），第12层的剪重比最小，为2.02%，有效质量系数：96.99%，满足要求。各层X方向的作用力（CQC），第12层的剪重比最小，为2.00%，Y方向的有效质量系数：97.03%，满足要求。

2.2.2框剪结构体系

2.2.2.1周期、地震力与振型输出文件（取15个震型分析、侧刚分析方法），地震作用最大的方向=0.000（度）。在设计中，每三个震型为一组，第二组震型的周期与第一组震型的周期比值在1/3～1/5之间比较理想的。这次比较==0.2596。

2.2.2.2根据抗震规范（5.2.5）条要求的X方向和Y方向楼层最小剪重比=1.60%，本组数据中，各层X方向的作用力（CQC），第12层的剪重比最小，为2.67%，有效质量系数：99.43%，满足要求。各层X方向的作用力（CQC），第12层的剪重比最小，为2.97%，Y方向的有效质量系数：98.37%，满足要求。

2.3结构体系框架柱地震倾覆弯矩百分比比较

框架结构体系框架柱地震倾覆弯矩百分比

框架—剪力墙结构体系框架柱地震倾覆弯矩百分比

框架柱地震倾覆弯矩百分比不大于50%，说明了该框剪结构体系中剪力墙承受主要水平荷载，而框架则以担负竖向荷载为主。对于7度地震区42.5米高的框剪结构，剪力墙的抗震等级为二级，框架的抗震等级为三级。

我们从概念上分析一下框剪结构体系的受力特点：

框剪结构，是由框架和剪力墙两种不同的抗侧力结构组成的受力体系，框架和剪力墙之间的协调工作，使房屋各层变形趋于均匀，框剪结构的水平侧移曲线呈弯剪型，这种曲线既不同于纯框架结构的剪切型，也不同于纯剪力墙结构的弯曲型。

所以框剪结构体系的框架部分不同于纯框架结构中的框架，剪力墙部分也不同于纯剪力墙结构中的剪力墙。这是因为，在下部楼层，剪力墙的位移较小，它约束着框架按弯曲型曲线变形，剪力墙承受大部分水平力，上部楼层则相反，剪力墙位移越来越大，有外侧的趋势，而框架则有内收的趋势，框架约束着剪力墙按剪切型曲线变形，框架除了负担外荷载产生的水平力外，还额外负担了把剪力平衡过来的附加水平力，剪力墙不但不承受荷载产生的水平力，还因为给框架一个附加水平力而承受负剪力，所以，上部楼层即使外荷载产生的楼层剪力很小，框架中也出现相当大的剪力。

这样就使整个结构体系受力比较均匀。剪力墙克服了纯框架抗侧刚度较低的缺点，框架弥补了剪力墙结构布置不灵活的不足。

2..4钢筋用量比较

框架结构体系中框架的抗震等级为二级，框架柱的轴压比要小于0.8，在实计算中，框架柱的轴压比一般在0.7左右（中间0.6～0.7，边缘0.4～0.5），在框架剪力墙结构体系中（框架为三级），框架柱的轴压比应小于0.9，在实计算中，框架柱的轴压比一般在0.8左右（中间0.7～0.8，边缘0.4～0.6。

框架柱的配筋情况，取一层的配筋为例，纯框架结构体系中，框架柱截面的配筋计算的总配筋数约为2450000mm2；框架—剪力墙结构体系中，框架柱的配筋数为1600000mm2。

框架剪力墙结构体系中，剪力墙的钢筋定为12@200的钢筋，剪力墙的计算长度为：7.2×4+（6.6-1）×2=40m，40/0.2×78.5×2×12×2=565200mm2，计算的总配筋数为565200mm2。

两种结构钢筋用量的比较：

==11.6%

仅仅是框剪结构体系竖向受力构件的配筋量就比纯框架节省了11.6%。而且框剪结构中框架抗震等级为三级，而纯框架结构中框架的抗震等级为二级。框剪结构体系钢筋用量更省。

2.5混凝土用量比较

纯框架结构，一、二层框架柱尺寸700mm×700mm，三～五层650mm×650mm，六～八层600mm×600mm，九层以上500mm×500mm。

混凝土柱混凝土的使用量为：0.7×0.7×54×4.0+0.7×0.7×54×3.5+0.65×0.65×54×3.5×3+0.6×0.6×54×3.5×3+0.5×0.5×54×3.5×4=831.13m3。

框剪结构体系，一～四层框架柱尺寸600mm×600mm，五层以上500mm×500mm。

混凝土柱混凝土的使用量为：0.6×0.6×54×（4.0×2+3.5×2）+30×0.25×2×3.5+30×0.2×2×3.0+0.5×0.5×54×3.5×8+30×0.2×8×3.0=894.46m3

纯框架结构体系和框架剪力墙结构体系在混凝土的用量上相差不大，大致相同。但是框剪结构体系柱子截面更小（由600x600减小为500x500），受力构件所占的空间减小了，能够节省更多的空间，结构布置也更合理。

3结论

经过比较，框架剪力墙结构体系获得了更大的刚度，抗震性能也更为优越。

且框架剪力墙结构混凝土使用量和纯框架结构体系大致相同，但但钢筋用量节省很多，仅竖向受力构件的配筋量就比纯框架结构体系要省11%左右，且结构布置上更加合理，可利用空间也大。经过计算结果的比较，不难看出框架—剪力墙结构体系比纯框架结构体系更经济、更实用，更节省造价，结构抗震性能更优越。

参考文献：

[1]包世华、方鄂华主编，《高层建筑结构设计》（第二版），清华大学出版社，1990。

[2]赵西安编著，《钢筋混凝土高层建筑结构设计》，中国建筑工业出版社，1992。

[3]郭继武编，《建筑抗震设计》，高等教育出版社，1990。

[4]李国胜编著，《简明钢筋混凝土建筑结构设计手册》，中国建筑工业出版社，1995。

[5]《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010），中國建筑工业出版社。

[6]《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010），中国建筑工业出版社。

[7]《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010），中国建筑工业出版社。