钢筋混凝土框架—剪力墙设计中的若干问题

杜建强

摘要：随着高层建筑的爆发式增长，对钢筋混凝土框架—剪力墙结构进行合理选型和优化布置，对于降低建设成本具有指导意义。由于早期对结构研究不够深入，对力学性能掌握不够深刻，以至于对剪力墙不能做出一个合理经济的布置方案，因此对高层剪力墙结构进行设计很有必要。

关键词：钢筋混凝土；框架结构；剪力墙设计；问题

1钢筋混凝土框架—剪力墙结构分析

1.1钢筋混凝土框架—剪结构协同工作原理

在钢筋混凝土框架结构中设置一些剪力墙，来增强结构的抗侧移能力，使框架和剪力墙共同承担竖向荷载和水平荷载，即为钢筋混凝土框架—剪力墙结构。钢筋混凝土框架—剪力墙结构体系从受力及变形特点来分析，在水平力作用下，剪力墙的变形曲线为弯曲型，其水平侧移量主要取决于所受弯矩的大小，剪力墙侧移量随高度增加而增大，且越往上增加越快；钢筋混凝土框架的变形曲线为剪切型，其水平侧移量跟各楼层受到的剪力有关，越往上侧移量增加越慢。由于刚性楼板的作用，使得框架和剪力墙协同工作，在水平荷载作用下，这种变形协调使得两个结构之间产生相互作用力。钢筋混凝土框架—剪各楼层剪力的分配是随楼层所处高度的不同而不同。在楼层底部，因为框架位移较大，而剪力墙位移小，它限制了框架的变形，剪力墙承担了大部分剪力，则使两者之间产生压力；在楼层顶部，剪力墙位移较大，而框架的位移逐渐变小，使得两者之间产生拉力，所以框架除了要承担自身受到的剪力外，还要承担限制剪力墙变形的附加剪力。这就使得钢筋混凝土框架—剪结构的底部变形要小于框架结构，而上部变形要小于剪力墙结构，最终使得层间位移沿建筑高度变化均匀，比单独框架结构或剪力墙结构表现出更好的变形特性，而且改善了框架结构及剪力墙结构的抗震性能，也有利于减少小震作用下非结构构件的破坏。

1.2钢筋混凝土框架—剪结构中剪力墙的布置

1.2.1剪力墙的布置要点

（1）剪力墙的布置要尽量对称，保证结构的质量中心和刚度中心接近。（2）剪力墙应自下至上全部贯通，以使结构刚度连续而且均匀。（3）结构层数不多时，剪力墙可做成T形或L形；结构层数较多时，剪力墙应布置成井筒式。（4）剪力墙应尽量靠近结构外围布置，可增强结构的抗扭刚度，但应注意温度应力的影响。（5）为限制楼板在自身平面内产生过大的挠曲，对于间距超过规定限制的剪力墙，应在结构计算时考虑楼板变形的影响。（6）结构的平面形状凹凸较明显时，宜在凸出部分的端部布置剪力墙。（7）应布置3片以上刚度均匀的剪力墙，单片剪力墙底部承担的水平剪力不宜超过总水平剪力的40%。（8）在长度较大的钢筋混凝土框架中，剪力墙不宜集中布置在钢筋混凝土框架的两端，以避免由于钢筋混凝土框架两端的约束作用而造成楼屋盖以及梁板开裂。（9）对于长度较大的剪力墙，宜设置洞口和连梁形成双肢墙或多肢墙，钢筋混凝土框架部分以承受结构总地震倾覆力矩的30%左右为宜，且不应大于50%。

1.2.2剪力墙结构优化设计的分类

（1）尺寸优化

对构件尺寸进行设计优化，即把结构的尺寸参数作为设计变量，所以用有限元分析结构的位移和内力时，不需要重新划分网格。尺寸优化必须保证结构的形状和拓扑保持不变，不能对结构整体做大幅度修改。虽然尺寸优化是优化设计中的最低层次，却为进一步加深对结构优化设计理论的理解提供了依据。

（2）形状优化

形状优化的特征是，待求的设计变量是所研究问题的控制微分方程的定义区域，主要用来确定结构尺寸或边界形状，使结构特性得以改善。例如：应力集中往往会造成结构或构件的疲劳破坏、断裂，而形状优化是解决应力集中问题的有效途径。形状优化相比尺寸优化进展较缓慢，主要原因有：在优化过程中由于分析模型随着结构的形状而不断变化，只能不断地对有限元网格进行重新划分，以及在优化过程中，结构性态、设计变量与单元刚度矩阵之间的非线性关系，使得形状优化的计算量变得很大。尽管如此，形状优化还是引起了许多专家学者的极大兴趣。

（3）拓扑优化

在上文提到的尺寸优化和形状优化，优化前后的结构为同一拓扑结构。如板上开有两个孔洞，经过尺寸优化或形状优化后，改变的只是孔洞的大小尺寸或边界形状，而孔洞数量没有变化。实际可能存在这样一种情况，即在同样满足约束条件的前提下，孔洞数量的改变比孔洞尺寸或形状的改变更能有效的减轻板重。拓扑优化是在尺寸优化基础上，重点确定节点间的连接方式。

2钢筋混凝土框架—剪结构中剪力墙的位移和内力计算

2.1基本假定及计算模型

2.1.1基本假定

（1）楼板在自身平面内为刚度无限大，而在其平面外的刚度很小，可以忽略不计。这一点保证了楼板将钢筋混凝土框架和剪力墙连成为一个整体，在水平力作用下，各抗侧力单元之间不会产生相对位移。（2）对剪力墙，只考虑弯曲变形而不考虑剪切变形，对钢筋混凝土框架只考虑剪切变形而不考虑弯曲变形。（3）忽略钢筋混凝土框架柱和剪力墙的轴向变形与基础转动的影响。（4）剪力墙布置对称均匀时，即结构的质量中心与刚度中心重合，因此忽略其扭转影响。（5）结构的质量以及刚度沿高度均匀分布。根据以上基本假定，结构在水平荷载作用下，处于同一标高处的剪力墙与钢筋混凝土框架的水平位移相同。

2.1.2计算模型

（1）铰接体系

对于钢筋混凝土框架—剪力墙铰结體系，剪力墙与钢筋混凝土框架在横向仅通过楼板联系。可将楼板视作刚性水平链杆，它将结构中的钢筋混凝土框架和剪力墙连系起来，使两种变形性质截然不同的结构具有了相同的侧移变形。计算模型见图1。

图1铰接体系计算模型

（2）刚接体系

对于钢筋混凝土框架—剪力墙刚结体系，剪力墙与钢筋混凝土框架之间不仅通过楼屋盖联系，部分剪力墙与钢筋混凝土框架柱之间还通过具有一定抗弯刚度的连梁连系，这时的钢筋混凝土框架—剪结构具有更大的抗侧刚度。计算模型见图2。

图2框架的剪切刚度

结语

总之，剪力墙结构设计中有很多需要注意的问题，也有一些技巧，只有熟练地掌握规范，并具有良好的结构概念，才能设计出既安全又经济适用的优秀作品。

参考文献：

[1]张黎明，郭惠.钢筋混凝土框架一剪力墙设计中的若干问题[J].江苏大学学报：自然科学版，2009，（4）：73-77.

[2]梁守科.钢框架结构中设有钢筋混凝土剪力墙的设计浅析[J].江西建材，2015，（2）：78-79