框架剪力墙结构的设计步骤和方法探讨

□□ 郭正烜

(太原理工大学，山西 太原 030024)

建筑设计

框架剪力墙结构的设计步骤和方法探讨

□□ 郭正烜

(太原理工大学，山西 太原 030024)

通过对框架剪力墙结构的阐述，揭示了剪力墙结构的概念与特点。结合实际工程的设计，有针对性地分析了框架剪力墙结构的设计原则与步骤。

框架剪力墙结构；设防；SATWE

引言

随着人民生活水平的不断提高以及建筑市场的不断繁荣和发展，人们对建筑功能的要求也越来越高。高层建筑由于既能满足建筑功能的集成化，又能经济合理地利用土地，因而大量地出现在城市和城镇建设中。常见的混凝土高层建筑按结构类型一般可分为框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒体结构等。本文讨论的框架-剪力墙结构(以下简称“框剪结构”)，是在框架结构体系的基础上设置一定数量的剪力墙而形成的既有框架又有剪力墙的双重受力体系。

1 框剪结构的优势

一般而言，框架结构空间布置灵活，容易实现建筑功能要求，结构的抗震性能也比较好，但是其抗推刚度较小，抵抗水平荷载的能力较低。剪力墙结构的抗推刚度较大，抗侧承载力高，但是由于承重墙体间距受限制，建筑平面布置不够灵活，很难满足一些公共建筑的功能要求。框剪结构体系将框架体系与剪力墙体系结合起来，利用框架柱的灵活布置解决了建筑功能和空间的要求，同时剪力墙的存在极大地提高了结构的抗侧刚度，具有良好的抗震性能，因而在很多需要大空间的高层建筑(如写字楼、商场、医院等)中得到了广泛的应用。

合理设计的框剪结构具有优良的抗震性能。由于框剪结构综合了框架和剪力墙两种结构形式，就变形能力而言，框剪结构优于剪力墙结构。同样，框剪结构的抗震性能也优于框架结构。结构震害资料表明，在框架中设置剪力墙可以增强结构的抗侧刚度，从而减少水平位移，有效地控制地震对结构的破坏，特别是减轻非结构构件的破坏，这在历次地震的震害资料中均有证明。

框剪结构具有良好的抗震性能还表现在结构体系的多道设防。小震作用下，主要是剪力墙承受水平荷载；中震作用下，框架与剪力墙共同工作；在大震作用下，刚度较大的剪力墙成为第一道抗震防线，随着剪力墙的开裂，其刚度退化，框架在保持结构稳定及防止结构倒塌方面发挥作用。

2 工程实例

本文选用的实例为某地区医院综合楼项目，该项目位于山西省某市，抗震设防烈度为8度(0.2g)，场地类别为三类。建筑层数为地下1层(局部为人防工程，人防抗力等级为6级)，地上12层，标准层总长40.4 m，总宽20.8 m，结构总高度为46.8 m，建筑面积11 501 m2。建筑设防类别为乙类(重点设防类)。

3 结构选型及结构平面布置

该项目结构总高46.8 m，根据JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》(以下简称“高规”)表3.3.1-1，若选用框架结构，则超过了规范规定的最大适用高度；若选用剪力墙结构，由于建筑平面中除病房、诊室、办公室外，还需设置药房、会议室、手术室等大空间的功能房间，剪力墙结构很难满足要求。综合考虑结构最大适用高度和建筑功能要求，最终选用框架-剪力墙结构，并要求建筑物的最大高宽比满足“高规”中表3.3.2最大高宽比的要求。

框柱与剪力墙结构方案的确定需考虑以下几个因素：

(1)结构布置需以建筑平面为依据，满足建筑功能的要求。墙柱的布置要求不影响功能房间的使用。

(2)剪力墙布置要遵循“均匀、分散、周边、对称”的原则。均匀、分散是要求剪力墙片数多，且每片墙的刚度不要太大，在楼层平面内均匀分布。对称、周边布置是为了降低高层建筑在地震力作用下的扭转效应。

(3)剪力墙的数量要适中。剪力墙数量过少，则抗侧刚度不足，会在地震力作用下产生较大的侧向变形，导致严重的震害；剪力墙数量过多，又会使结构自重加大，地震作用随之加大，而且会增加不必要的造价。因此，在框剪结构中兼顾安全和经济来确定剪力墙数量是非常重要的。

(4)剪力墙的位置合理。作为框剪结构中的主要抗侧构件，剪力墙应沿结构纵横两个方向同时布置，并使两个方向的刚度接近。剪力墙一般宜布置在下列部位，如竖向荷载较大处；建筑平面复杂部位或平面形状变化处；楼梯间和电梯间部位等。

(5)剪力墙布置间距需遵循规范要求，符合“高规”中表8.1.8的规定。

综合考虑上述因素，针对该项目而言，框架柱的布置相对简单，按照经济柱距布置即可。该项目横向柱距为8 m，纵向柱距分别为7.2 m、5.4 m、7.8 m。剪力墙主要布置在卫生间、电梯间、纵横向的外墙及个别内墙中，基本呈对称布置，两个方向的墙体数量基本相近，保证了建筑的使用功能。

该项目标准层布置方案如图1所示。

图1 标准层结构布置平面图

4 PKPM建模及计算

将结构方案输入计算机进行建模计算，从而获得比较准确的结构信息，并根据计算结果对结构方案进行必要的调整。

4.1 关键计算参数的确定和输入

考虑到该工程属于医院，结构形式为框剪结构，建筑物的抗震设防类别为乙类，该地区抗震设防烈度为8度(0.2g)，根据GB 50223—2008《建筑工程抗震设防分类标准》的要求：“重点设防类，应按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强其抗震措施”，故在确定SATWE参数时应首先考虑结构的抗震措施，由本地区8度变更为9度，相应的框架和剪力墙的抗震等级均应提高。

0.2Q0调整：“高规”8.1.4条规定：“(1)满足式(8.1.4)要求的楼层，其框架总剪力不必调整；不满足式(8.1.4)要求的楼层，其框架总剪力应按0.2V0和1.5Vf.max二者的较小值采用；Vf≥0.2V0(8.1.4)。”这是框剪结构为了保证在水平地震力作用下能够形成有效的多道设防。在设防地震、罕遇地震作用下，刚度大的墙体会先于框架破坏，由于塑性内力重分布，框架部分按侧向刚度分配的剪力会比多遇地震下加大，为了保证作为第二道防线的框架具有一定的抗侧力能力，需要对框架承担的剪力予以适当的调整。所以对于该项目，应全楼进行调整。

周期折减系数：对于不同类型的高层结构，规范规定了采用不同的周期折减系数。因为结构在地震作用下自振周期往往要小于计算周期，这是由于结构中非承重墙体(如砌块填充墙)的协调变形所致，故应按照规范要求对该项目进行调整，调整系数取0.8。

对于程序中其他参数的设定，均按照相应规范要求和PKPM用户手册进行设置，不再赘述。

4.2 计算结果分析

调整完毕参数后进行试算。经过多轮计算和对模型的调整，精准确定结构方案，之后对计算结果进行分析。

首先保证宏观结构的合理性，对SATWE输出信息中的总信息、位移情况、地震周期、框架柱倾覆力矩及0.2QV0等内容与规范条文进行比对。

4.2.1 竖向刚度变化

适当提高该项目地下室结构构件的截面尺寸和混凝土强度，使地下室与地面一层的侧向刚度比>2，结构嵌固端可取地下室顶板。对地上部分，分成若干个结构标准层，在保证承重构件竖向连续的前提下，分段减小构件截面尺寸和混凝土强度，从而使结构每层刚度基本接近并逐渐变小，保证楼层侧向刚度不小于相临上部楼层侧向刚度的70%或其上相临3层侧向刚度平均值的80%，从而满足规范要求。

4.2.2 结构弹性层间位移的控制

均匀设置的剪力墙能有效地限制结构在地震作用下的位移。抗震规范提出的层间弹性位移角和层间弹塑性位移角限值，实际上是控制层间水平位移不得过大，避免带来结构的P-Δ效应。两个阶段的层间位移要分别满足以下要求：

多遇地震作用下产生的层间弹性位移：

ΔUe≤[θe]H

(1)

罕遇地震作用下产生的层间弹性位移：

ΔUp≤[θp]H

(2)

经对该项目进行计算，X向弹性层间位移角为1/875；Y向弹性层间位移角为1/902。两个方向的刚度基本接近，且满足规范要求的≯1/800。

4.2.3 结构的自振周期的控制

结构的自振周期在考虑折减系数后应控制在一定的范围内。框剪结构的基本自振周期(即第一周期)按照一般经验大致为：

T1≈(0.08～0.12)n (3)

如果周期偏长，说明结构过“软”，所承担的地震剪力偏小，应考虑抗侧力构件(柱、墙)是否截面太小或布置不当；若周期偏短，说明结构过“刚”，所承担的地震力偏大，应考虑抗侧力构件是否截面太大或墙的布置太多或墙的刚度太大(宜设结构洞减小其刚度)。

对该项目进行计算得到的3个主周期见表1。

表1 结构周期

计算结果表明，结构的刚度较为合理，第一、二周期显示为平动周期，第三周期显示为扭转周期，T3/T1≈0.643。因为T3/T1<0.85，说明结构整体抗扭刚度较大，能有效地限制地震作用下产生不利于结构安全的扭转变形。

4.2.4 规定水平力作用下框架柱的地震倾覆力矩百分比

框剪结构在规定的水平力作用下，结构底层框架部分承受的地震倾覆力矩与结构总地震倾覆力矩的比值不尽相同。当框架部分承受的地震倾覆力矩比结构总地震倾覆力矩>10%但≯50%时，按典型的框架-剪力墙结构进行设计。如果框架部分承受的地震倾覆力矩过大或过小，均要按照“高规”要求对结构进行特定分析。

对该项目进行计算得到的数据见表2。

表2 规定水平力框架柱及短肢墙地震倾覆力矩百分比 %

框架柱承受的地震倾覆力矩均在10%～50%之间，符合典型的框剪结构特点。

4.2.5 振型曲线和位移曲线

对于竖向刚度和质量比较均匀的结构，如果计算正常，其振型曲线应是比较连续光滑的曲线，不应有大进大出、大的凹凸曲折。

框剪结构的位移曲线介于剪力墙结构与框架结构两者之间。剪力墙结构的位移曲线具有悬臂弯曲梁的特征，位移越往上增长越快，呈外弯型曲线；框架结构的位移曲线具有剪切梁的特征，位移越往上增长越慢，呈内收型曲线；框剪结构的位移曲线呈反S型曲线，中部接近为直线。而且曲线均应连续光滑，无突然凹凸变化和明显的折点。

除了对以上计算结果的讨论，还应结合结构剪重比、荷载和内力分布等内容进行合理分析，这样才能基本保证结构的宏观合理性。下一步还要对SATWE结果中的配筋进行验算，对轴压比等信息进行查看与调整，以确保结构构件的安全可靠。

4.3 图形输出与施工图绘制

利用PKPM软件对模型计算结果输出，经整理后绘制结构施工图，完成设计任务。

3 结语

对于框剪结构的设计最重要的是概念设计，尤其是对于抗震设防地区的建筑，做到正确的结构选型、合理的整体布局与可靠的构造措施是非常重要的。只有深入了解框剪结构的受力性能，把握地震作用下结构的抗震特点，并能利用软件合理计算，才能设计出既经济合理又安全坚固，同时能满足建筑功能的优良结构。

[1] JGJ 3—2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3] 叶献国.建筑结构选型概论[M].第2版.武汉：武汉理工大学出版社，2013.

[4] SATWE用户手册及技术条件(2010版)[K].北京：中国建筑科学院,2011.

[5] 包世华.新编高层建筑结构[M].北京：中国水利水电出版社，2005.

(编辑 盛晋生)

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TU 398

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郭正烜(1981-)，男，山西平遥人，讲师，2004年7月毕业于太原理工大学土木工程专业，现从事建筑工程教学工作。

2015-09-16