高層建筑框架--剪力墻結構的設計特點及策略

張兆源

摘要：當今社會，隨著設計手段和施工技術的提高和發展，高層建筑越來越多。不管是商業建筑、辦公建筑，還是小高層民用住宅建筑，都較多的采用了框架-剪力墻結構。本文闡述了框架-剪力墻結構的受力特點及適用范圍，具體分析建筑的框架-剪力墻結構的設計方式，計算時的參數選取，設計特點及策略，希望能給同行些許參考。

關鍵詞：建筑框架；剪力墻；抗震；結構體系；結構設計

中圖分類號：TU318文獻標識碼： A

隨著社會的發展進步，人民生活質量的提高，城鎮中建筑的使用功能越來越多元，商業、休閑、娛樂、居住等多種使用功能都可在一座建筑中體現出來。如今一座高層建筑中地下室和底部樓層（1～3層）擁有較大的平面布置、靈活自由的使用空間是發展商不二的選擇。因為有較大的平面布置，帶來的使用空間也在增大，這樣就可以較好地解決：地下室盡量多停車問題、底部樓層適應現代商業對使用空間大尺寸的需要?？蚣芙Y構無疑可以很好的滿足上述使用功能要求，但單純使用框架結構對高層建筑來說其抗震能力會下降。為了提高單純框架結構高層建筑的抗震能力，適當在某些部位引入剪力墻，這樣就形成了框架-剪力墻結構。

一、框架-剪力墻結構的受力特點及適用范圍：

1.框架-剪力墻結構，廣泛應用于高層辦公建筑和公共建筑，也大量應用于高層旅館建筑和居住建筑。

框架-剪力墻結構是由框架構成自由靈活的使用空間，來滿足不同建筑使用功能的要求，同時又有足夠的剪力墻，剪力墻具有相當大的剛度，從而使結構具有較強的抗震能力：大大減少了建筑物的水平位移，避免填充墻在地震時嚴重破壞和倒塌。所以在有抗震設計要求時，宜優先采用框架-剪力墻結構代替框架結構。

2. 框架-剪力墻結構的受力特點。

（1）水平力通過樓板傳遞分配到剪力墻和框架上。

（2）水平力產生的剪力在建筑底部主要由剪力墻承擔，因剪力墻在水平力作用時，底部變形小，剛度大，承擔剪力多。但到建筑頂部時剪力主要由框架承擔，即框架在建筑頂部變形小。

由于框架-剪力墻的協同受力：在結構底部框架側移（變形）減小，在結構的上部剪力墻側移減小，側移曲線兼有這兩種結構的特點，成為彎剪型。彎剪型變形曲線的層間變形沿建筑高度比較均勻，既減小了框架也減小了剪力墻單獨抵抗水平力的層間變形，適合用于較高的建筑?？梢哉f，框架-剪力墻結構綜合了框架結構和剪力墻結構的優點?？蚣?剪力墻結構可以設計成雙重抗側力體系，一般情況下，抵抗地震作用時，剪力墻作為第一道防線，框架為第二道防線，形成多道抗震設防結構。

3. 框架-剪力墻結構中剪力墻的數量。

剪力墻的多少直接影響抗震能力，震害調查發現剪力墻數量增加震害降低。日本的福井和十勝沖地震中，建筑每平方米樓面剪力墻長度少于50㎜時，震害嚴重;多于150㎜時，破壞輕微，甚至無害。

但剪力墻過多也會造成不經濟。因剪力墻增多，結構剛度增大，自振周期縮短，地震作用加大，造成結構內力增大，結構材料用量增加，基礎造價也相應提高。

從上述框架-剪力墻結構的受力特點可以看出，框架結構和剪力墻結構的各自優點，都能在框架-剪力墻結構中明顯表現出來：即解決了高層建筑對大尺度使用空間功能的需求，又保證了高層建筑具有較強的抗震能力。隨著建筑功能多元化需要，設計人員設計水平和技術手段的提高，框架-剪力墻結構在高層建筑應用越來越普遍。

本文從一所高層公寓的結構設計說起，對框架—剪力墻結構設計進行簡單分析。

二、建筑工程概述

本案建筑是一座公寓樓，層數較多:地上28層，地下 2層地下室，建筑總高度約91.8米。設計人員對建筑公寓的使用情況作如下安排：地下室作為停車庫，因為地下室面積大，較為寬廣，停車方便；地上底部兩層作為裙房，這兩層裙房擬用作商業用途，可作為公寓樓的商業配套；三層及三層以上作為公寓塔樓，這樣其整體設計和布局較為合理。本公寓塔樓平面尺寸為18.2×62.2米。

三、設計人員對于建筑結構體系的布置

（一）結構體系

任何結構都是由水平構件和豎向構件組成空間結構，它們不同的組成方式和荷載傳遞途徑，構成了不同的結構體系。水平構件包括梁、板，又稱為樓蓋體系，豎向構件有墻、柱、斜撐等。豎向荷載作用在樓屋蓋（樓蓋體系），再傳至墻、柱、斜撐等（豎向構件），最后傳遞到基礎。水平荷載由梁、柱、斜撐、墻組成抗側力體系（包括豎向和水平構件）抵抗，并必須有樓蓋的參與，最后傳至基礎。

在高層建筑中，抗側力結構體系的選擇與組成，成為高層建筑結構設計的首要考慮及決策重點?？箓攘w系決定后，水平構件體系的大格局（梁板或平板體系）已經確定，樓蓋布置的細節還可以進一步敲定。因此，在設計方案階段要綜合考慮抗側力體系和樓蓋體系，同時抗側力體系布置是高層建筑結構是否合理、經濟的關鍵。

（二）本案結構體系的平面布置

前述建筑概況可知，本建筑地下室用于停車，底部二層裙房用于商業用途，它們都需要大空間，因此除塔樓平面以外部分（為多層建筑），其抗側力體系均采用框架結構；塔樓平面部分（含塔樓主體的底部二層及地下室部分）由于是高層建筑，抗側力體系采用框架-剪力墻結構，即塔樓平面內布置一定數量的剪力墻，如圖所示。

圖1 塔樓標準層結構

框架-剪力墻結構設計的關鍵是剪力墻的數量和布置，結構工程師應盡早參與建筑師的初步方案設計，當建筑師給結構布置以靈活度時，結構工程師應當優化剪力墻的布置。剪力墻的數量不必太多，以滿足規范的側移限值為好，剪力墻太多不僅加大地震力，而且使結構重量加大，施工工程量相應增加。剪力墻數量是否恰當，可通過計算剪力墻分配到的總剪力是多少來檢驗：其值在50%～85%之間較好。

在平面上，剪力墻布置要均勻，以使結構平面剛度對稱。如果布置不好，造成較大偏心（剛心與質心距離較大），將引起結構產生過大的扭轉，地震造成的扭轉破壞多數是由于剪力墻布置不當造成的。

對于高層建筑來說，結構受到的水平力方向具有不確定性，所以抵抗水平力的抗側力體系必須要設計成雙向抗側力體系，即在建筑平面的兩個主軸上均應設計一定數量的剪力墻，只有這樣，才能使整個建筑在水平方向的任何方位都能抵抗水平力的作用。

（三）結構體系的垂直布置

對抗震有利的建筑立面是規則、均勻，從上到下外形不變或變化不大，沒有過大的外挑或內收的立面，因此結構構件沿高度布置應連續、均勻，使結構的側向剛度和承載力上下相同，或下大上小，自下而上連續，逐漸減小，避免出現軟弱層和層間角位移、內力及傳力途徑的突變。

本案建筑地上2層是裙房，中間部位是塔樓，為大底盤單塔結構。大底盤單塔結構的關鍵部位是大底盤以上的第一層，這一層類似于塔樓的固定端，相對于大底盤這一層的側向剛度突變，因此設計人員要注意提高大底盤以上第一層結構的剛度和延性。

抗震設計時，塔樓部分的抗側力體系為框架-剪力墻結構，樓層結構的側向剛度比值，不宜小于相鄰上部樓層的0.9，樓層層高大于相鄰上部樓層層高的1.5倍時，該比值不宜小于1.1，對結構底部嵌固層，該比值不宜小于1.5。具體設計時，設計人員可以對構件的截面大小進行試算、調整、優化，以使結構達到側向剛度要求。

四、建筑結構計算方法及計算參數

本案塔樓平面尺寸為18.2×62.2米，高91.8米，塔樓高度H=91.8＜130米滿足規范適用高度要求；塔樓高寬比B=91.8/18.2=5，滿足規范要求。本建筑抗震設防為丙類建筑，抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度為0.05g,建筑場地為Ⅱ類，結構抗震等級均為三級。風荷載基本風壓值W。=0.3KN/㎡,本建筑的嵌固端設置在地下室頂板位置。

該工程采用的計算方法為振型分解反應譜法，設計人員采用PKPM系列SATWE軟件對建筑結構進行計算。在結構計算中根據抗震設防烈度，在結構兩個主軸方向分別考慮水平地震作用外，考慮雙向水平地震作用下的扭轉影響，同時考慮在偶然偏心影響下的作用。各計算參數的取值均按規范要求。如結構自振周期折減系數0.75；柱配筋計算原則按單偏壓計算雙偏壓復核；中梁剛度增大系數1.8；連梁剛度折減系數0.5；梁扭矩折減系數0.5；各層框架總剪力按Vf≥0.2V0要求設計；在結構計算中通過調整構件尺寸和剪力墻截面，使周期比、層間位移角滿足規范的要求。

五、剪力墻設計時需關注的問題及應對措施

設計人員具體設計時，對框架-剪力墻結構中剪力墻的布置應符合下列基本規定：1.剪力墻宜均勻布置在建筑物的周邊附近、樓梯間、電梯間、平面形狀變化及恒荷載較大部位。2.縱、橫剪力墻宜組成L形、T形和Ⅰ形等形式。3.抗震設計時，剪力墻的布置宜使結構各主軸方向的側向剛度接近。4.本案塔樓為長矩形平面結構，其剪力墻布置宜符合以下規定：橫向剪力墻沿長方向的間距應滿足規范要求；縱向剪力墻不宜集中布置在房屋兩盡端。

剪力墻不宜過長，較長的剪力墻宜設置跨高比較大的連梁，將其分成長度較均勻的若干墻段，各墻段的高度與墻段長度之比不宜小于3，墻段長度不宜大于8米。

當剪力墻與其平面外相交的樓面梁剛性連接時，可沿樓面梁軸線方向設置與梁相連的剪力墻、扶壁柱或暗柱。

剪力墻兩端和洞口兩側應設置邊緣構件。

六、如何設計剪力墻的連梁

對于高層建筑，承擔抵抗水平力的各片剪力墻，各段墻肢通過每層的連梁連接，即剪力墻由墻肢和連梁兩種構件組成。

剪力墻在風荷載和抗震設防烈度的地震作用下，具有很大的抗彎剛度。為了預防未知的罕遇強烈地震，要有意識的在結構總體系（第一道防線）中形成預定薄弱環節，在未來遭遇強烈地震時，通過控制首先使連梁出現開裂、屈服，出現塑性鉸，從而變成具有延性和耗能能力的結構體系（第二道防線），即各分體系（各段剪力墻肢）作為獨立的抗震單元，則整體結構變柔，自震周期變長，阻尼增加，地震動力反應將大大減小，從而可以繼續保持結構的穩定性和良好的受力性能。

設計人員具體設計連梁時，可采取以下策略方法：1.降低連梁的剛度或彎矩設計值；2.開縫混凝土連梁，對于跨高比較小的連梁，在連梁腹板上沿跨度方向預留一條或縫或槽，將連梁沿梁高方向分成幾根跨高比較大的梁，在大震作用下，發生延性較好的彎曲破壞。3.交叉配筋和菱形配筋連梁，連梁的延性和耗能能力明顯優于普通水平配筋連梁，具有良好的抗震性能。不足之處是制作費工，配筋密集，施工復雜。4. 鋼板混凝土連梁，同樣具有良好的抗震性能，同時構造相對簡單，施工方便。

結語

筆者參考多個具有豐富建筑結構設計經驗的老師的觀點，言簡意賅的闡述了高層建筑結構在設計時其框架-剪力墻的設計特點及策略，結合實際工程，對高層建筑結構體系的布置，建筑結構的計算方法及計算參數，剪力墻及連梁的設計進行了簡單分析。

目前框架－剪力墻結構在高層建筑結構設計中的應用已很普遍，同時框架－剪力墻結構體系是高層鋼筋混凝土結構中的一種較好的常用的結構體系，值得我們工程設計人員在實際工程設計中認真探討與研究，從實踐中不斷積累總結經驗，不斷創新，使建筑結構既安全又具有合理的經濟技術指標。

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