高层框架剪力墙结构抗震设计

曹光辉

（中交第二航务工程局有限公司，武汉 430056）

1 工程概况

“云城尚品”一期建设项目（A 地块），占地面积39 607.1 m2，地上、地下建筑面积分别为138 439.32 m2和55 426.8 m2。建筑采用框架剪力墙结构，地基基础由独立条形基础、筏板基础、地下室抗浮底板共同组成，局部设置有挖孔桩和抗拔桩。抗震设防等级：主楼三级，地下室二级，局部一级，抗震设防烈度6 度。项目总效果如图1 所示。

图1 项目总效果

2 高层框架剪力墙结构抗震设计的要点

2.1 结构的变形协调

剪力墙与框架均属于独立的抗侧力结构，两者在变形性质等方面存在差异，在使用过程中可能会出现局部单独变形的情况。从位移量的角度看，普遍具有上部剪力墙的位移大于下部剪力墙位移的特点，而随着位移量达到某限定值时，将影响框架结构顶部与剪力墙的使用状态，如以剪切型曲线形式发生的变形。因此，设计高层框架剪力墙结构时，必须高度重视框架和剪力墙的变形协调性，在框架和剪力墙结构中寻求平衡点，协调好框架与剪力墙的受力变形关系。

2.2 结构的受力条件

传统框架在位移量增加时往往伴有形变减慢的变化特点。剪力墙结构变形曲线与悬臂梁弯曲曲线高度一致，随着位移量的增加，变形速度加大，在结构刚度的作用下，结构水平方向受力被等效分配。依托于楼盖等相关附属结构，将原本保持独立状态的框架和剪力墙有效结合于一体，使其共同承受源自建筑的水平荷载。在此方式下，结构受弯曲/剪切变形单独影响的问题得到有效的解决，有利于对各楼层结构的位移量做针对性的控制，进而保证结构的安全性。在水平范围内，框剪结构变形曲线呈反S 形，不同部位的剪力墙的状态存在差异，其中，下部的形变量较小，承担高层建筑绝大多数的水平向剪力，此方面也是框剪结构设计中需重点考虑的内容。

3 高层框架剪力墙结构抗震设计方法

3.1 机构控制

随着建筑剪力墙数量的增加和刚度的提升，会对框架剪力墙结构的承载性能造成影响，较为直接的表现是在一定程度上削弱了框架剪力墙结构的形态控制力度。针对此特点，在高层框架剪力墙结构抗震设计中，宜通过计算在框架剪力墙结构合适的部位设置适量的塑性铰装置。在该配置方式下，若高层建筑使用期间受到地震能量的冲击作用，框架剪力墙结构可进行耗能，减小外部能量对建筑结构稳定性所造成的不良影响。框架剪力墙结构如图2 所示。

图2 框架剪力墙结构

3.2 优化剪力墙的抗震性能

3.2.1 设计肢墙面积及具体形式

调整肢墙面积后，有利于提升结构的抗震性能。在抗震设计中，以保证建筑功能正常使用以及结构具有稳定性为基本前提，需对肢墙的结构形式进行优化，如采用双肢墙、多肢墙。除此之外，应加大对结构洞口连梁与竖向施工缝的优化力度，在该处形成具有足够稳定性的耗能机构。诸如前述措施的落实，均有助于预防建筑剪切破坏、过早屈服等异常状况。

3.2.2 设置梁柱结构

在剪力墙周边增设梁柱结构，可构成完整、稳定可靠的边框剪力墙，有效抑制斜向裂缝的发展。建筑遇到地震灾害时，边框剪力墙在短时间内具有替代剪力墙结构的作用，可充分发挥在承载性能方面的优势，有效抵抗附加剪应力，减小该部分应力对结构所造成的不良影响。

3.2.3 分散布置

综合考虑剪力墙的数量、面积、尺寸、刚度，遵循分散设计的原则，有序将剪力墙规划在特定的位置，使剪力墙构件均有足够的安全距离。除此之外，根据剪力墙的布设方案选择尺寸和数量均合适的抗侧力构件，用于增强剪力墙的稳定性[1]。

3.3 优化框架结构的抗震性能

3.3.1 设置角柱

角柱是高层建筑框架剪力墙结构体系中不容或缺的部分，其具有连接横、纵向框架的作用。从角柱的组成关系看，角柱的抗剪性能将直接对框架的整体性能造成影响，同时也关联于框架剪力墙结构体系的抗震性。在具体的设计工作中，应高度注重角柱的强化处理，以可行的方法提高角柱的抗剪性能。落实此方面的工作后，可提高框架剪力墙结构的抗震性能。

3.3.2 设置钢筋混凝土剪力墙板

受地震能量的冲击作用，高层建筑的结构稳定状态受到影响，可能有侧向过度位移的情况。为保证结构的稳定性，设置适量钢筋混凝土剪力板构件，通过此类装置的应用，规避框架剪力墙结构剪力滞后的问题，切实提高结构的刚度。此时，当建筑受到地震能量冲击作用后，高层框架剪力墙结构几乎无侧向位移，整体仍维持原状。

3.3.3 设置赘余构件

在地震冲击能量的作用下，高层框架剪力墙结构可能会产生共振效应，随之破坏结构，使其受损、失稳。对此，可根据高层框架剪力墙结构的特点增设适量的赘余构件，防止共振效应的发生。例如，可采用偏交斜撑构件，用钢管制作偏心连接支撑件，用钢纤维混凝土制作折曲支撑件，不再采用轴边耗能方式，取而代之的是更有利于维持结构稳定性的弯曲耗能方式。

3.4 优化结构整体的抗震性能

3.4.1 设置塑性铰构件

在高层框剪结构的合适部位增设适量的塑性铰构件，可以有效提高结构的形变控制力，从而取得较为良好的屈服效果。若建筑物受到地震能量的作用，塑性铰构件将作为耗能机构使用，减小能量对框架剪力墙结构的不良影响，从而保证结构的稳定性与完整性[2]。

3.4.2 增强刚度和延性的一致性

框架与剪力墙各自在刚度、延性系数等多项力学指标方面均存在差异，发生地震灾害后，各自的状态不尽相同，难以有效协调各类构件，如易出现先后破坏的情况。因此，在设计时必须注重框架与剪力墙两部分结构，采取合适的设计措施，提升两者在刚度方面的协调性，使其在遇到地震冲击作用时能够具有同步性，共同抵御外部作用力，有效保证结构的稳定性。

3.4.3 控制剪力墙的数量

在高层框架剪力墙结构的组成中，随着剪力墙数量的增加，其刚度与体积也相应变大，会对高层建筑结构自振周期造成影响（变小），若建筑遇到地震能量的冲击，更易受到破坏，存在严重的危害。针对此问题，在高层框架剪力墙的设计中，需要控制好剪力墙的数量。具体而言，要在满足结构正常使用的基础上控制剪力墙的数量及刚度，使其稳定在许可范围内。此时，适量的剪力墙可以发挥出应有的作用，连同框架结构共同受力，为高层建筑结构提供安全层面的保障。

3.5 框架的参数分析及抗震端的设置

在高层框架设计中，设计人员需密切关注各项工程信息，包含连梁跨高比、刚度与纵面墙长度等，通过对多项信息的全方位分析，评估框架设计的合理性，若存在不足之处，则及时予以调整。设计时，将长墙体划分为适量的节段，墙体高度约为墙宽的2 倍，在墙体结构的两端分别设置约束装置，目的在于减小剪切变形量，从源头上规避剪切破坏现象的发生。对于抗震端的设计，应当充分考虑其与框肢墙的界面高度差，为提高抗震端的抗震性能，需减小该高度差值，形成相均衡的状态。除此之外，有必要详细检查抗震端底部的实际情况，若存在结构不完善、稳定性不足等问题，也应做针对性的优化[3]。

3.6 框架部分内力的调整

受水平地震作用，剪力墙还要承受较大的地震剪切力，框架结构虽然受力，但仅受小部分剪切力，换言之，水平地震作用所产生的剪切力主要由剪力墙承受。在整个抗震结构体系中，墙体是第1 道防线，其受损时间提前于框架。在剪力墙内部塑性发生改变后，地震的剪切力分布也随之变化，框架部分所需承受的剪切力有所增加。在调整工作中，应根据计算的内力进行框架部分的抗震设计，且考虑到框架部分无法作为第2道防震线的特点，在适度的范围内调节框架所采用的剪切力，由此提高框架的整体承受能力，使其具备足够的抗侧力，发挥框架第2 道防线的作用。内力的调整需得到充分的关注，楼板的横向刚度分布状态必须合理，即沿垂直方向以均匀的方式分布，按照该思路对楼板及相邻层做适当的调整。

3.7 提升“一”字形墙肢的耐受力

“一”字形墙体也是房屋建筑中较为常见的结构形式，其通常被布设在房屋结构的中部，该类结构的侧向承重能力极为有限，明显加大了墙肢承载力的计算难度，可能会由于该部分设计不当而对房屋的整体使用情况造成影响。对于此局限性，在房屋建筑设计中应尽可能减少“一”字形墙肢的数量，非必要时不采用该类结构。此外，对该类墙肢的形状加以优化也是可行的方法，即设置为L 形或T 形，此时其侧向刚度有所提升，对于保证房屋结构的稳定性而言具有积极意义。

4 结语

综上所述，在现阶段的高层建筑结构组成中，框架剪力墙结构占据较大的比重，其充分发挥出框架和剪力墙各自的应用优势。但设计中涉及框架与剪力墙的协调问题，作为设计人员，在抗震设计工作中应精准把握设计要点，采用行之有效的抗震设计方法，从数量、尺寸等方面做好框架与剪力墙结构的配置工作，构成稳定可靠的框剪结构体系，发挥出整体结构在抗震方面的性能优势，保证建筑的正常使用。