框架‐剪力墙结构抗震设计的探讨

李 涛

(中国瑞林工程技术有限公司)

框架‐剪力墙结构抗震设计的探讨

李 涛

(中国瑞林工程技术有限公司)

在高层建筑的各种结构体系中，框架－剪力墙结构是一种应用范围较为广泛的、经济性较好的结构体系。本文主要介绍了框架－剪力墙结构的特点和框架剪力墙抗震设计的要点进行分析，并提出了框架－剪力墙结构抗震性能优化设计的有关措施。

框架－剪力墙结构；抗震；优化

一、框架－剪力墙结构的受力特点和抗震分析

高层框架－剪力墙结构中，剪力墙刚度往往比框架的刚度大得多，所以在框架－剪力墙结构体系中，剪力墙刚度的大小在很大程度上决定了整个结构的刚度。然而自从建筑抗震问题被提出来以后，工程界关于框架-剪力墙结构剪力墙所占比重对抗震性能优劣的问题就存在着一些争议。一般来说，多设剪力墙对抗震是有利的。但是，这不仅会增加经济成本，同时由于刚度过大，周期太短，地震反应可能加大。而过少的设剪力墙，又不能满足抗震设计的要求，尤其是结构的扭转。从抗震的角度看，剪力墙数量以多为好；但从经济性来说，剪力墙则不宜过多。

综合考虑，在独立的结构单元内，抗震墙的设置数量，应符合下列原则：

（1）要尽可能突出框架－剪力墙结构的抗震特点，即保证抗震墙结构所承担的地震倾覆力矩不少于总地震倾覆力矩值的50%。

（2）对于一般高层建筑而言，按《建筑抗震设计规范》地震力计算出的沿其结构单元两个主轴方向的结构弹性阶段层间侧移角的最大值，要不大于1/800，并且还要保证符合《高层建筑混凝土结构技术规程》中关于结构顶点风振加速度限值的有关规定。

二、框架剪力墙结构抗震设计要点

1、概念设计

框架剪力墙结构抗震设计首先应选择合理的结构形式并确定可靠的传力途径，整体结构应设计成为双向抗侧力体系，结构平面形状宜规则、对称，结构在主轴的两个方向的动力特性应接近，并应尽量实现结构质心与重心重合，避免虚假对称的结构平面以及加强结构周边的抗扭刚度并减小扭转效应；抗震设计过程中结构两主轴方向均应布置剪力墙且其间距不宜过大，若剪力墙体需开凿较大洞口则应适当减小间距；对异型柱结构中处于受力不利部位的异型柱可采用一般框架柱来改善结构的整体受力性能。

2、提高剪力墙的抗震性能

可将剪力墙做成四周有梁柱的带边框墙，可利用边框和暗框来防止斜裂缝的发展，并可在墙板破坏后作承重构件来代替墙板承重并具有一定的延性，边框应具有足够的斜截面受剪承载力来承担因墙身通裂对边框梁柱带来的附加剪力；在肢墙设计时可设结构洞口或结构竖缝变为双肢墙或多肢墙，可将裂缝和屈服部位出现在结构竖缝或洞口连梁部位以形成能耗机构，并可将原剪力墙一分为二，降低其刚度以免剪力破坏的发生；研究标明当连梁的跨高比为 5时其延性和能耗均优于跨高比为1时，连梁两端相对竖向位移的延性系数都在8以上，其滞回曲线也相当饱满，因此在设计过程中应对其组成和构造采取一定措施。

3、提高框架的抗震性能

由于角柱是连接纵横框架的枢纽，因此可通过增加角柱的措施来增加框架的空间整体性；在周圈框架平面应按照K型支撑和X型支撑布置一定数量的钢筋混凝土抗剪墙板或配筋砌块抗剪墙板以克服框架的剪力滞后现象，并可提高框架的整体性；由于折曲撑由钢纤维混凝土杆制造，偏心连接支撑可用钢杆或劲性钢筋混凝土杆组成，在地震发生时便可用该赘余杆件的先期屈服和变形来耗散能量，且当赘余杆件破坏或退出工作后使结构由一种稳定体系过渡到另外一种稳定体系，于是可引起结构自振周期的改变，即可避免地震周期内长时间持续作用所引起的共振效应。

4、加强整体结构抗震性能

可通过实行机构控制来实现总体屈服机制，在结构的特定位置设置一定数量的人工塑性铰，对塑性铰发生的部位、顺序及塑性程度进行控制从而使得结构在强震作用下能够形成最佳的能耗机构，其在水平作用下实现水平构件先于竖向构件屈服，最后是竖向构件底部屈服；并使结构的刚度和承载力相互匹配以及结构的刚度和延性相互匹配。

5、刚度及承载力相互匹配

在框架剪力墙结构中，若剪力墙数量多、厚度大，其刚度自然也大，但会导致结构自振周期减小，总的水平地震作用增大，反之若刚度小则地震力也相应变小，因此在设计过程中应根据建筑的重要性、装修等级和抗震设防烈度等因素来综合这一矛盾，最终确定结构的侧移限值，从而定出抗震墙的数量、厚度，实现结构既安全又经济。

6、扭转计算和抗扭控制

在进行扭转计算和抗扭设计时应采取小震计算控制和大中震抗震措施并重的原则，尤其对大中震时的抗扭构造措施不能忽视，当扭转位移比超过1.35时，其双向地震作用明显，因此应进行双向地震作用计算，并应在结构平面上大致划分出受扭敏感区和质心区，进行经济有效的抗扭计算控制，对受扭敏感区内的竖向构件在大中震下所产生的扭矩不可忽视，且其处于有扭矩作用的复杂受力状态，其最终抗扭构造除满足规范要求外，应按照强扭弱弯并采取增加抗扭构造的措施。

三、框架－剪力墙结构抗震优化的计算工具

1、SATWE软件的介绍

SATWE是中国建筑科学研究院 PKPM CAD工程部应现代高层建筑发展的要求，专门为多、高层建筑结构分析与设计而开发的基于壳元理论的三维组合结构有限元分析软件。其核心是解决剪力墙和楼板的模型化问题，尽可能地减小其模型化误差，提高分析精度，使分析结果能够更好地反映出高层结构的真实受力状态。

2、SATWE软件的优点

（1）模型化误差小、分析精度高；

（2）计算速度快；

（3）强大的后处理功能；

（4）可完成建筑结构在恒、活、风、地震力作用下的内力分析及荷载效应组合计算，对钢筋砼结构还可完成截面配筋计算；

（5）可进行上部结构和地下室联合工作分析，并进行地下室设计。

（6）适用于高层和多层钢筋砼框架、框架一剪力墙、剪力墙结构，以及高层钢结构或钢－砼混合结构以及复杂体型的高层建筑、多塔、错层、转换层及楼板局部开洞等特殊结构型式。

四、实例分析

某框架－剪力墙结构建筑总层数26层（地下2层），建筑高度71.95m，总建筑面积18574.6m2，标准层层高2.90m。依据《建筑工程抗震设防分类标准》，本建筑属丙类建筑，所处地区抗震设防烈度为 7度，结构抗震等级为二级，结构抗震设计构造措施按上述相应的抗震等级采用。本工程的基本风压值为 0.4KN/m2，工程所在地属Ⅱ类场地土。

在剪力墙结构布置不变的情况下，主要选取对建筑物刚度影响最大的三个因素：开洞率a、墙率b、砼强度等级C的不同值得到计算模型，取值如表1：

表1 三个因素取值表

通过计算可知：（1）可以得出多高层框架－剪力墙结构中剪力墙的洞口率、墙率和混凝土强度等级是三个最突出影响的因素。（2）高层框架－剪力墙结构的自振周期比和最大位移与剪力墙结构的墙率、开洞率、混凝土强度等级有着一定关系。在这三个影响因素中，墙率对结构刚度影响最为显著，其次为开洞率，混凝土强度等级等级影响较小。因此，可以通过对剪力墙的合理布置以及对剪力墙截面尺寸的调整，控制结构的扭转，来达到优化设计的目的。

五、结束语

框架－剪力墙结构设计的是否合理，会对建筑物的安全使用和技术经济指标的高低产生直接影响。框架－剪力墙结构中，框架与剪力墙起到了很好的互补的作用，对于抗震要求较高的地区是一种非常合适的结构形式。本文通过对框架－剪力墙结构的特点进行分析，提出抗震优化措施，希望对框架－剪力墙的抗震设计起到一定的借鉴意义。

TU7

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1007-6344（2015）09-0140-01