框架-剪力墙结构抗震设计关键技术

高铭

（中交第一公路勘察设计研究院有限公司建筑设计院 陕西省西安市 710075）

1 框架-剪力墙的特点

1.1 框剪结构受力特点

框架-剪力墙结构又被称为框剪结构，主要是用来抵抗外界的水平作用力，是目前我国在构建高层建筑物时，所广泛采取的一种结构设计，为使建设功能得到满足，建设过程可使用剪力墙结构布置方法形成自由空间，这样结构的承载能力会得到改善，且承受载荷是由剪力墙和框架形成的结构来实现的。在此结构中为实现水平方向双向受力，主轴方向须配置剪力墙。若仅在一个方向上设置剪力墙，会引起两个方向抗震水平作用力不平衡。从而导致整体框剪结构扭转。若在两个方向同时设置剪力墙，发生地震时，如果部分区域出现损坏，但剩余部分仍具有足够的承载能力和刚度，来承受更大地震危害达到抵抗地震的作用。

1.2 框剪结构在力的作用下的变形

框架结构中剪力墙的变形主要分两种情况即：横向上的弯曲变形与侧向上的剪切变形。在其结构中，剪力墙靠下处位置变化较慢，横向位置变化不大，对框架安全有所保证，若框架在剪力墙作用下向左移动，光看剪力墙单独的横向位置移动量要小于框剪的横向位置移动，但比框架单独横向移动的位置大；在建筑物上部结构中，由于框架受力作用，假使墙会偏左移动，其移动量大于框架单独的横向位置变化，且要小于剪力墙单独的横向位置移动量。这样在框架结构受力作用影响下，最终减少框架的横向位置移动，使框架和剪力墙受力分布更加合理化。但由于框架在横向上的刚度要小于剪力墙的刚度，其受到的剪切力分布也要小，而在受力变形的情况下，框架与剪力墙的剪切力分布承载量会随着建筑物楼层的高度变化而不断变化。

2 框架—剪力墙结构抗震设计关键技术

2.1 抗震设计原理

当发生地震时，建筑物破坏程度将受地震横波与纵波影响。众所周知，地震带来的危害主要是地壳中能量将以振波形式传递到外界产生震动。当地震波与建筑物自振频率相同时，形成共振，将会对建筑物产生更大的破坏。但建筑物的自身阻尼会在很大程度上影响地震波带来的晃动，阻尼值设计的大小也能决定自身振动幅度的大小，阻尼值大，对地震波的吸收就较大，振幅就会大幅减小，对建筑物的破坏就会越小；相反阻尼值小，结果就会对建筑物破坏程度大。因此，在严格按照设计原则的前提下，可最大程度的加大建筑物自身阻尼，来吸收更多的地震能量，最终达到建筑物抗震的目的。

2.2 抗震设计原则

一项安全可靠的建筑物设计在遇地震时应达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的效果，才可以称得上达到建筑物抗震的效果。因此，在进行框剪结构设计时，需要遵循以下抗震原则：①剪力墙的设计中结构应保持连续，不得有中断；②框剪结构中构件数量较多、连接较复杂，因此为了保证结构的安全性构件间的连接必须可靠，保证其强度和延展性。

2.3 剪力墙的布置

（1）在发生地震时为了减小房屋的扭转震动，房屋的刚度中心与质量中心应尽量接近，这就要求剪力墙在设计时应沿结构单元的纵、横两个方向设置，并应根据实际情况，通过对其长度和厚度的调整来做到分散、均匀、对称。其次，应沿两条以上的轴线布置间距不宜过小剪力墙。另外，最好沿结构独立单元的周边布置剪力墙以增强整个结构的抗扭能力。

（2）剪力墙的设置应贯通建筑物的竖向全高；在建筑物平面形状呈凹凸状，且较大时，在凸出部位周围应设剪力墙；在建筑物楼梯口，电梯间等较大洞口等处的周围两侧，为减少水平刚度的变化，应设置剪力墙。

（3）剪力墙的布置要尽量避免墙面有开大洞的位置，若避免不了墙面有大洞口时，墙面各楼层间的大洞应位于同一条垂直线上，即上下对齐，但要注意，洞口的面积占墙面面积的比值不应超过1/6，每个洞口的梁高不应小于层高的1/5，且要注意纵向上设置剪力墙不应集中布置在建筑物的两端尽头部位。

（4）在保证安全的大前提下，从成本角度看，剪力墙的厚度不应为不变的同一厚度，应为从下到上以50mm为级差逐级减薄；同时混凝土强度等级变化应与墙厚变化区分开。

2.4 剪力墙的数量

剪力墙的设置不是越多越好，要在符合经济、安全、合理的情况下设置，需满足以下条件：

（1）为了能够使框架-剪力墙体系的结构特征凸显出来，设计剪力墙承载地震弯矩值时，可按第一振型计算，其值不应小于总地震弯矩值的50，否则应按框架体系对待。

（2）我国地质情况复杂，对于多地震区域和少地震区域两者来说楼层间最大位移和层高比的计算结果应当有所区分，前者一般要求不超过1：800 而后者不超 1：100。

（3）把结构重力载荷与地震作用效应结合起来后，对剪力墙来说，其边框柱的钢筋受力不会由拉力控制，按拉力计算出的竖向钢筋量应小于按受压状态计算出的数量。剪力墙设置的多，虽然对抗震有利，但增加了刚度和使用的材料，既不经济，对基础设计也增加了困难。尤其是在框架-剪力墙结构设计中，对剪力墙有最低的限制，即使增加剪力墙，对抗震有好处，但从经济角度考虑，会增加成本，因此，剪力墙的数量要合理。

3 工程实例

3.1 工程概况

某公共建筑地上楼层15层，地下楼层1层，地下室～2层层高5.5m，标准层高3.4m，普通层高5m。建筑抗震设防等级Ⅷ度，风压0.40kN/m2，地基基础设计甲级，建筑抗震设防丙类，建筑场地Ⅲ类，框架抗震二级，剪力墙抗震一级。

3.2 结构布置

设计基本原则：

根据设计方案来看1～2层层高为5.5m，层高较大，且空间大，因此，可以采用钢筋混凝土框架-剪力墙的结构设计。

3.3 剪力墙的布置与设计

据《高层建筑混凝土结构技术规范》的规范标准，在负荷核定不变的前提下，选取平面较大的区域布置剪力墙，如电梯间平面，楼梯平面，这些地方要保证剪力墙的墙肢和刚度能满足正比，因此，墙肢越长，吸收负载力越大，对墙体越不稳定，所以在实际中剪力墙不宜太长，且实际工程中可通过在剪力墙体上开孔，来降低其刚度，孔结构应上下对齐。

楼梯与竖井通道开洞及楼梯间地板刚度被严重削弱，因此不考虑楼梯板的支撑力，因此需用到剪力墙来做增加开洞位置的刚度，且要注意，需把剪力墙围成筒状样式，这样在楼梯间、电梯位置的结构，可保证其有能力抵抗扭转，若想保持平面形状中心和建筑物结构刚心一致，在设置剪力墙时，要保证剪力墙在建筑周边成对称的排列。

3.4 剪力墙的连梁设计

连梁设计的存在在建筑物遇到地震发生时，首先受到震动考验，大多数情况下，连梁会将地震力进行分配化解，连梁会先受力而屈服，剪力墙的墙肢后受力屈服，这样通过连梁的设计就达到了强剪弱弯的目的。在设计中，若想增强连梁的抗剪承载力，需要在参考整体结构的规律下，通过调整计算模式来进行数据调整。

3.5 整体计算结果

通过专业计算及结合实际情况来看，周期比、剪重比以及轴压比和位移比等数据均满足各项规范要求，同时在考虑到结构安全的大前提下，通过对原有结构布置的合理优化，另外，最大程度满足建筑效果的情况下，做到对用钢量的大幅降低，减少成本。

4 结语

安全可靠的建筑结构要在抵御地震等自然灾害的过程中受到最小的损害就离不开框架剪力墙结构，而框架剪力墙结构设计的合理性又直接影响着建筑结构的最终抗震效果，同时影响着建筑结构的成本构成，是整个建筑结构设计的重中之重，又是难点部分，因此为了确保结构的可靠安全，在进行框架剪力墙结构的设计中应当充分考虑其抗震性设计。

[1]郭兆伟.高层框架剪力墙结构抗震设计的技术要点分析[J].建材技术与应用，2011（1）.

[2]傅学怡，邸博.基于有限基础刚度的框架-剪力墙结构抗震设计[J].土木工程学报，2014（4）.