探析框架剪力墙结构抗震优化设计

摘 要：框架-剪力墙结构是公认的抗震性能较好的结构体系，它将框架结构和剪力墙结构融为一体，充分发挥框架与剪力墙的优点，使整体结构的抗侧刚度适中，并能提供相应的竖向和水平承载力。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。文章介绍了框架-剪力墙结构的特点，并提出了优化框架-剪力墙结构抗震性能的有关措施。

关键词：框架-剪力墙结构；抗震；优化

在高层建筑结构中，框架结构抗侧向刚度差，抵抗水平荷载的能力较低，对抗震不利，但它具有空间大，平面布置灵活等优点；剪力墙结构竖向刚度和抗侧力刚度均很大，但平面布置不灵活，不适应大空间的要求；而框架-剪力墙结构解决了上述问题。因此，在我国近年来的高层建筑中，框架-剪力墙结构不断得以运用。框架-剪力墙结构集合了框架结构与剪力墙结构的优点，具有承受竖向和水平荷载的能力，能较好的抵抗抗地震力和抵抗水平风荷载作用。

一、框架-剪力墙结构的抗震优化设计

传统条件下，框架-剪力墙结构抗震分析的方法主要有手算法和电算法两种：前者是在假定基础上的近似简化计算方法；后者常用矩阵位移法求解，相对而言，是一种较前者为精确的计算方法。随着地震调查分析及理论的不断深化，框架-剪力墙结构的优化分析逐渐盛行，国内外陆续出现了一系列结构优化的观点。有学者认为合适的剪力墙数量以使其能承受总地震倾覆力矩值的65%～80%为宜，也有学者提出根据《高层建筑混凝土结构技术规程》对结构顶点风振加速度的限制和对框架、剪力墙比例的要求，提出了一种简单的结构刚度优化方法。

在进行框架-剪力墙结构设计时，框架-剪力墙结构中剪力墙刚度的确定，除了必须满足强度条件外，还必须使结构具有一定的侧向刚度。因此，在设计时，可通过合理调整剪力墙的混凝土等级和改变剪力墙的布置及截面尺寸，使结构刚度均匀，具有较好的抵御水平荷载的能力，控制结构扭转，达到抗震优化设计，节约成本的目的。大量研究表明，改变剪力墙的弯曲刚度对柱的内力影响不大，因此，当剪力墙的高宽比比较大，剪切变形的影响比较小时，可取剪力墙的弯曲刚度为设计变量。具体优化措施如下：

（一）提高框架的抗震性能

角柱作为连结纵横框架的枢纽，对于框架的抗震性能起着非常关键的作用，因此，加强角柱，也即增加角柱的抗剪性能是提高框架抗震性能必要措施。可以沿着框架平面按K形支撑和X形支撑布置一定数量的钢筋砼抗剪墙板，这样就能有效克服框架的剪力滞后现象，提高框架的抗推刚度和整体稳定性。但是这种结构的延性较差，因此，可以在墙板上开十字形结构竖缝使之出现薄弱部位，形成延性耗能墙板。

（二）提高剪力墙的抗震性能

提高剪力墙的抗震性能的一个重要途径是将剪力墙做成四周均有梁柱的带边框墙。这样明框和暗框就可以阻止斜裂缝向相邻边框发展。同时为了承担因墙身通裂对边框梁柱引起的附加剪力一定要保证边框具有足够的斜截面受剪承载力。

（三）提高整体结构的抗震性能

提高框架的抗震性能和剪力墙的抗震性能只是抗震优化设计的一方面，最终的目的是提高建筑整体结构的抗震性能，因此就要做到结构的刚度和承载力相匹配。在框架-剪力墙结构中，如果剪力墙数量多则会使结构自振周期减小，总水平地震作用增大；反之刚度小，地震力也变小。因此要综合考虑各方面因素以便合理确定抗震墙的数量和厚度，保证安全的前提下节约成本，优化框架-剪力墙结构的设计。

二、框架-剪力墙结构抗震优化的计算工具

（一）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。

（二）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。

三、计算实例

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。

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（下转第216页）结构刚度影响最为显著，其次为开洞率，混凝土強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。

表1 三个因素取值表

开洞率a 墙率b 砼强度等级C

ax ay bx by

0.1537 0.2412 0.0324 0.0358 C20

0.1861 0.2866 0.0612 0.0487 C25

0.2361 0.3578 0.0756 0.0594 C30

0.2801 0.4781 0.0897 0.0728 C35

总体而言，尽管人们关于地震对建筑破坏作用的认识不同，对框架-剪力墙结构存在一些争议，但结构刚度特征值始终是决定结构抗震性能和经济指标的关键。如何计算和优化控制框架-剪力墙结构的刚度问题也始终是多高层建筑在抗震方面的一个核心问题。通过诸如TAT等类似软件技术的运用，能为框架-剪力墙结构在抗震优化方面发挥一定的作用。

四、结语

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。文章通过对框架-剪力墙结构的特点进行料分析，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。

参考文献

[1] 张建川.高烈度地区多层错层设计的结构分析[D].西南交通大学硕士论文，2006.

[2] 白云辉.剪力墙结构设计中几个问题的探讨[J].中华民居，2011（02）.

[3] 蔡俊坡.基于抗震性能的框架—剪力墙结构优化设计[D].西安科技大学硕士论文，2010.

作者简介：郭建国，吉安市建筑设计院。