淺析高層框架剪力墻結構設計研究分析

張雅靜 李治國 呂東梅

摘要：框架剪力墻結構是高層建筑中的常用結構。本文從框架剪力墻結構設計的基本概念入手，分析了框架剪力墻的構造設計內容，包括抗震墻、剪跨比等的設計，并出混凝土結構中最常用的框架剪力墻結構設計的注意要點。

關鍵詞：混凝土；框架剪力墻結構；高層建筑

1、框架剪力墻結構設計的基本概念

剪力墻是現代高層建筑中一項重要建筑內容，框架剪力墻的尺寸大小必須符合建筑規定，原則是尺寸較大但厚度必須較小，幾何特征應該呈板狀，受力接近于柱形。在剪力墻結構中，墻是平面構件，其承受力沿著平面作用的水平剪力和彎矩外，還必須考慮到豎向壓力。在彎矩和軸力及剪力的共同作用下進行作業，其受力水平作用下可以看成了底部嵌固于基礎上的懸臂深梁。在實際工程中剪力墻分為整體墻和聯肢墻，整體墻就比方如一般房屋建筑的山墻或者魚骨式結構片墻和小開洞墻。而聯肢墻是由連梁聯接起來的剪力墻，但是因為一般連梁的剛度要小于墻肢的剛度，所以，墻肢單獨作用非常明顯，連梁中部出現的反彎點要注意墻肢軸的壓比限值。當剪力墻開洞過大時便形成寬梁、寬柱所組成的短墻肢，構件形成的兩端帶有剛域的變截面桿件，在內力作用下許多墻肢將出現反彎點，因此，計算和構造應該按照近似框架結構來考慮?？偟恼f來，設計剪力墻時，應該根據各種墻體本身的特點，以及不同的受力特征和要求，墻體內力分布狀態和破壞形態，全面具體地考慮設計配筋和構造措施?？蚣芗袅Y構設計是考慮了水平和豎直兩個方向作用所進行的結構整體分析，所以求得內力后需按照偏壓或偏拉進行正截面受力計算。

2、框架剪力墻的構造設計內容

框架墻結構就高層建筑而言，在實際工程中運用最多，抗震墻要有足夠的數量以滿足層間位移限值，位置相對靈活?？拐饓m合連續布置、全長貫通。在設計時應避免墻肢長度的突變以及洞口上下的不對齊。同時，洞邊距柱的內側應不小于300mm，以保證柱作為邊緣構件的作用和約束邊緣構件的長度。雙向抗側力的結構形式是使縱橫墻相連，使彼此成為有緣的剪力墻。對于一、二級抗震框架剪力墻，連梁跨高比不宜大于5，且高度不小于400mm。柱中線與梁、墻中線不宜大于柱寬的1/4，以減少地震作用對柱的扭轉效應，否則可以采取加強柱內配箍率的方法來彌補。如果剪力墻的剪跨比大于2，連梁的跨高比大于2.5，那么設計的剪壓比不宜大于0.2，但如果剪力墻的剪跨比小于2，連梁的跨度比小于2.5，那么剪壓比不大于0.15。另一方面，框架剪力墻結構的底部加強區的設計范圍應該不小于200mm且不小于層高的1/16，其他部位應不小于160mm且不小于層高的1/20，框架剪力墻結構的墻周圍應設置梁或暗梁與端柱組成邊框。剪力墻的水平分布能夠起抗剪作用，這種設計中，當建筑物較高較長或為框剪結構時，配筋應該適當增加，特別是在梁部位或溫度、剛度變化等敏感部位最好適當增加；這時還應該考慮到墻的豎向鋼筋，因為它主要起抗彎作用，并且在一些多層剪力墻構造配筋時所取的配筋率一般不扣除約束邊緣構件或構件邊緣構件的鋼筋。

3、受力特性分析

框-剪結構體系的工程應用表明，框-剪結構是框架和剪力墻兩種結構的有機結合。剪力墻結構的位移曲線具有懸臂彎曲梁的特征，位移越往上增大越快，成外彎形開口曲線。而在框-剪結構中，框架和剪力墻之間通過平面內剛度無限大的樓蓋連接在一起共同抵抗水平力，結構水平位移特征處于框架和剪力墻之間，為反S型曲線，是彎剪型。因此，在框-剪結構中，剪力墻在下部樓層變形小，承擔了近80%以上的水平剪力，而在上部樓層，框架變形小，可以協助剪力墻工作，抵擋剪力墻的外拉變形，從而承受很大的水平剪力。所以，框-剪結構是框架和剪力墻兩種結構水平變形的有機協調，從而達到減少結構變形，增強結構側向剛度，提高結構抗震能力的目的，在結構設計中具有很強的適用性。

4、框架剪力墻構造的設計注意事項

4.1部分框架支的設計。對于抗震墻結構和部分框支抗震墻結構，若內縱墻很長，且連梁的跨高比小，剛度大，則墻的整體性好，在水平地震作用下，墻的剪切變形較大，墻肢的破壞高度可能超過底部加強部位的高度，因此將長墻分成墻段，使墻的高寬比大于2，墻段由墻肢和連梁組成。其目的是設置剛度和承載力較小的連梁（跨高比不小6的連粱），這樣防止在地震作用下，先破壞連梁，使墻段成為抗側力單元，且墻段以彎曲變形為主。

4.2抗震端的設計?？拐鸲撕筒糠挚蛑Y構的墻肢截面長度沿高度不宜有太大出入和變化，一、二級抗震墻的底部加強區以及墻體洞口較大時，最好不要有錯洞布置的剪力墻。

4.3框支層的設計。部分框支的抗震墻結構在地震作用時有可能將變形集中在框支層上，這樣就應該首先加固框支層，使其牢固。一般地規范規定是，框支層的側向剛度不應小于上一層非框支層的側向剛度的50%?？蛑Φ乃降卣鸺袅χ饕陕涞丶袅Τ袚?，所以要保證樓板有足夠大的平面內剛度傳遞水平力。落地墻最大水平間距不宜大于24m。

4.4墻的豎向鋼筋的設計。在框架剪力墻中，特別是高層的工程設計里面，豎向鋼筋主要起到抗彎作用。高層建筑與底層不同，在目前一些多層低高層剪力墻中電算記過多為構造配筋，但配筋時所取的配筋率有的人往往扣除了約束邊緣構件或構造邊緣構件中的鋼筋，但是高層建筑中的剪力墻設計不能這么做，這一點必須注意。

5、 框-剪結構在建筑中的應用思路

高層建筑是社會經濟發展和科學技術進步的產物。城市人口集中，用地緊張以及商業競爭的激烈化，促進了高層建筑的出現和不斷發展。在高層建筑結構設計中，水平荷載是設計的主要控制因素。分析水平荷載與結構體系的關系，根據建筑高度、尺寸和其他條件，選擇經濟而有效的結構類型和結構體系，便成為結構設計的首要問題。高層建筑的結構體系，主要有框架結構體系，剪力墻結構體系，框架-剪力墻結構體系（簡稱框剪結構體系），筒體結構體系和巨型（超級）結構體系等。這些體系的受力特點、抵抗水平荷載的能力、側向剛度和抗震性能等都各有不同?？蚣芙Y構側向剛度差，抵抗水平荷載的能力較低，底部層間位移大容易引起非結構性破壞和次生災害，對抗震不利，但它具有空間大，平面布置靈活，立面處理豐富等優點，而剪力墻結構則相反，抗側力強度和剛度均很大，但平面布置不靈活，不適應大空間的要求。而框剪結構卻有框架結構與剪力墻結構兩者的優點，把兩種結構體系結合起來，在同一結構單元中同時采用框架和剪力墻結構，共同承受豎向和水平荷載，起到了取長補短的作用，因而它廣泛地應用于高層辦公建筑，旅館建筑等高層公共建筑中。

結語：文章首先從框架、剪力墻的受力特性開始，論述了影響剪力墻用量的因素，而后分析了剪力墻合理用量的確定方法，最后深度探討了豎向荷載作用下框-剪結構的水平作用效應問題，相信對從事相關工作的同行有著重要的參考價值和借鑒意義。

參考文獻：

[1]賴海輝.芻議優化高層建筑剪力墻結構設計的措施[J].消費導刊，2009，（14）.

[2]劉林榮，何雅明.淺議高層建筑短肢剪力墻的設計[J].今日科苑，2008，（02）.

[3]張毅.高層結構中剪力墻的構造要求及原因分析[J].科技資訊，2010（2）：30～31，33.

[4]張旮，石中明.基于ETABS的某高層結構時程分析[J].工程建設與設計，2010（3）：20～22.

作者簡介：張雅靜（1982.02- ） 講師/工程師 水工結構專業

李治國（1981.05- ） 講師 機械設計專業

呂東梅（1980.01- ） 講師/工程師 給水排水工程技術專業