浅谈少量剪力墙框架结构在设计中的具体应用

周 丰

(福州市建筑设计院 福建福州 350000)

引 言

钢筋混凝土框架结构由于其灵活的空间分隔性，较好的经济性，能就地取材等优点，在实际工程中得到广泛应用，但有些框架结构，体型较为特殊，经试算不能满足有关规范对于弹性层间位移角及位移比的要求，要加大梁柱截面较多才能实现体系位移的改善，经济性差。此时在合适的部位设置极少量的剪力墙(通常布置在结构刚度较弱处或者楼、电梯间处)，则较为容易实现对结构位移的控制。然而，对于含少量剪力墙的框架结构，我国《高层建筑混凝土结构设计规程(JGJ3－2010)》[1]第8.1.3条仅做了一般性规定，没有对具体的控制指标给予量化，使得施工图设计、审查均无据可依。而《建筑抗震设计规范(GB50011—2010)》[2]第6.2.13条第四款中，也仅对框架部分地震剪力值的计算做出了规定。由此可知，现行规范对此类结构尚未有明确、系统的论述。本文结合笔者所做的工程实例，浅谈少量剪力墙框架结构在设计中的具体应用。

1 对少量剪力墙框架结构的认识

设置少量剪力墙并没有改变结构形式，是带有少量剪力墙的框架结构，属于一种特殊的框架结构形式，但仍是框架结构[3]。同济大学结构工程与防灾研究所程熙等人[4]的研究表明:”在框架结构中布置少量的剪力墙，结构的主体仍然是框架结构，无论是在承受竖向荷载还是提供抗侧刚度的贡献中，框架部分都占主要地位。”由于剪力墙较少，同时不是主要的抗侧力结构，在风荷载或者地震作用较小(不高于多遇地震作用)时，剪力墙辅助提供其弹性刚度EwIw，使得设置少量剪力墙后的框架结构能满足规范对框架结构的弹性层间位移角及位移比的要求。在设防烈度地震及罕遇地震时，基于刚度分配原则，剪力墙率先吸引了大部分的地震作用，使得剪力墙塑性开展，出现裂缝而刚度退化，不能成为第一道抗震防线;同时由于剪力墙自身的刚度大，这就决定了剪力墙(不管结构体系如何)不可能成为第二道防线，故剪力墙只需满足“小震不坏”的要求。《建筑抗震设计规范(GB50011—2010)》[2]第6.5.4条注中也明确表明，少量剪力墙框架结构中剪力墙的抗震构造措施，与框架－剪力墙抗震构造措施不同。孟建军[5]的研究表明:少量剪力墙框架结构中的剪力墙抗震等级，可取框架的抗震等级。而在罕遇地震时，大震作用下剪力墙开裂刚度退化，

图1 一层结构平面布置图

图2 二层结构平面布置图

使得框架和剪力墙之间的塑性内力重分布，进而让框架成为主要抗侧力构件。此时虽然整体结构刚度有所削弱，受到的地震作用及吸收的地震能量也随之减少，但框架部分承担的地震作用反而有可能增大，在设计计算时需引起足够的重视，故对这类框架结构，建议必须先按纯框架结构进行计算，再考虑按框架与剪力墙协同工作(即按框架－剪力墙结构)进行计算，最终进行包络设计。

2 工程实例与分析

某办公楼为框架结构，共五层，结构高度约为23.2m，工程抗震设防类别为丙类，位于福州市闽侯地区，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g，设计地震分组为第二组，三类场地，一层及二层结构平面布置图如(图1、图2)所示，结构立面示意图如(图3)所示。

设计两个方案进行比较研究，方案一:均布置普通框架梁柱。方案二:仅在一层和二层的1轴和7轴楼梯间处布置剪力墙(详图1及图2)，其余部位均布置普通框架梁柱。方案一和方案二均采用PKPM软件电算。

上述两种方案经电算后，不同工况下最大层间位移角计算结果如(表1)所示，不同工况下最大层间位移与平均层间位移的比值计算结果如(表2)。

由表1可知，纯框架方案和少量剪力墙框架方案的最大层间位移角都在Y双向地震作用工况下，但两者相比，加了少量剪力墙后，最大层间位移角由1/673降低至1/716，降低了6%。究其原因，由于设置了少量的剪力墙，提高了结构的抗侧刚度，改善了结构的抗震性能，故使得最大层间位移角减小。河北工程大学的杨树标教授等人[6]的研究成果表明:在框架结构中设置少量剪力墙是在结构体系层次改善抗震性能的措施，不仅能减小结构的层间位移角，而且可以改变结构的破坏机制，使框架结构真正实现规范要求的“强柱弱梁”的延性破坏机制。

图3 结构立面示意图

表1 不同工况下最大层间位移角

图5 第2层少量剪力墙框架混凝土构件局部配筋简图

表2 不同工况下最大层间位移与平均层间位移的比值

由(表2)可知，纯框架方案和少量剪力墙框架方案的最大层间位移与平均层间位移的比值(即位移比)都在Y－偶然偏心地震作用工况下，但两者相比，加了少量剪力墙后，最大位移比由1.51降低至1.37，降低了9.27%。而位移比与扭转效应有关，反映的是结构实际存在的扭转量，设置了少量剪力墙，降低了结构的扭转效应。究其原因，由(图1)可知，本工程属于长宽比较大的长矩形平面，当长宽比超过一定数值时，结构的扭转效应便表现得比较明显，故本工程采用纯框架结构时，Y－偶然偏心地震作用工况下位移比不能满足规范要求，结构抗震性能很差。郑从立等工程师[7]的研究亦表明，在类似工程中，采用少量剪力墙框架结构，能减少结构扭转效应，改善结构整体的抗震性能。

3 配筋比较

以第二层为例，截取方案二中剪力墙周边的配筋结果与方案一中对应位置的配筋结果进行比较。方案一的第二层混凝土构件局部配筋简图如(图4)，方案二的第二层混凝土构件局部配筋简图如(图5)。

对比两个方案的柱配筋，发现在设置了剪力墙后，剪力墙范围附近的框架柱在剪力墙平面内方向的配筋减少。究其原因，是由于剪力墙自身平面内的刚度较大，吸引了较多水平力。对比两个方案的梁配筋，发现梁配筋的变化规律与柱配筋的变化规律类似。两种方案的配筋存在一定的差异，通过两种方案的对比，也从侧面反映了对少量剪力墙框架结构按纯框架结构和按框架与剪力墙协同工作(即按框架－剪力墙结构)分别计算，包络设计是必须的。

4 结论与展望

在实际工程中，应充分运用少量剪力墙框架结构的概念进行结构设计，准确把握结构体系及结构布置。笔者在此次工程实例的设计过程中，得到如下结论:

(1)少量剪力墙框架结构分析计算中除应考虑剪力墙与框架的协同工作，还应考虑按纯框架结构进行计算，最后框架部分取两种工况的包络值进行配筋设计。

(2)仅需在结构底部几层设置少量剪力墙(一般在楼电梯处)，便能提高结构抗侧刚度，减小结构的层间位移角及位移比，降低扭转效应，改善结构抗震性能。

对今后少量剪力墙框架结构的研究，笔者有如下展望:

(1)可通过试验对剪力墙的刚度退化规律进行研究，分析少量剪力墙框架结构层间位移角与刚度退化的关系，并将其应用到之后的结构分析中。

(2)目前规范对少量剪力墙框架结构的弹性层间位移角限值尚未做出明确规定，可进行这方面的研究。

[1]JGJ 3－2010，高层建筑混凝土结构设计规程[S].

[2]GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

[3]朱炳寅.建筑结构设计问答及分析[M].

[4]程熙，周德源，薛志萍.含少量抗震墙的RC框架结构位移限值探讨[J].结构工程师，2013，29(1):17－21.

[5]孟建军.浅析少量抗震墙的框架结构的设计和运用[J].科技致富向导，2011，(23):362 －363.

[6]杨树标，郭恩平，贾剑辉.设置少量剪力墙的多层框架结构破坏机制研究[J].煤炭工程，2012，(3):114－116.

[7]郑从立，吴映栋，任光勇.少量剪力墙框架结构在设计中的应用[J].浙江建 筑，2011，28(9):13 －15.