淺談框架-剪力墻結構的設計

張桂艷

遼寧省沈陽鼎信結構設計事務所有限公司 遼寧 沈陽 110000

1 序言

框剪結構是由框架和剪力墻組成的[1]，有兩種結構的優點。有平面布置靈活，空間大，側向剛度較大的優點，,廣泛用于辦公類的高層建筑?？蚣苤胁贾眉袅Φ亩嗌贈Q定了規定水平力作用下結構底層的傾覆力矩值，并以決定結構體系及計算原則?？蚣艚Y構中的框架及剪力墻需要滿足作為框架結構和剪力墻結構中的一些基本要求外，還得滿足作為框剪結構中的一些特殊要求。

2 框剪結構布置及特點

2.1 結構布置

縱向和橫向剪力墻宜形成T,L,[形等形式[2]，且剪力墻的兩側宜設置端柱，從而形成翼緣，以便于提高剪力墻的強度和剛度?？蚣?剪力墻抗震構造措施具體見《抗規》第6.5節并且還應滿足第6.3節及6.4節的有關要求。

2.2 組成形式

a.單片式的剪力墻即框架與剪力墻是分開布置的(連肢墻或者較小井筒﹑單片墻)；b.帶邊框的剪力墻（框架結構里嵌入剪力墻）[2]；c. 單片框架和剪力墻（在單片抗側力結構內連續分別布置剪力墻和框架）[2]；d.混合形式的剪力墻[2]（a+b+c即以上兩種或者三種混合）[2-3]。

2.3 受力特點

(1)變形：框剪結構中，剪力墻主要承受水平荷載（風荷載和地震力），其建筑高度和位移關系如圖1; 在水平力作用下，剪力墻的變形為彎曲型，框架變形為剪切型。由于框架和剪力墻的受力性能不同，則需要借助樓板來工作。在樓板平面內剛性假定前提下，框架及剪力墻在某一高度，某一平面內必有相同的位移，使得框剪結構變形為彎剪型形，呈現反S曲線。剪力墻在結構下部位移增長得慢，在上部增長較得快，框架則與之相反。在框剪結構的下部，框架的變形被剪力墻制約著，而減少框架在底部的層間位移角；而上部，框架又制約剪力墻的變形，減小了剪力墻的頂點側移及頂部的最大層間位移角。

圖1 建筑物高度H與位移之間的關系

(2)水平力：在水平力的作用下，框架和剪力墻頂部的水平剪力均不等于0。

(3)抗震性能：小震，水平力主要由剪力墻承擔；中震，剪力墻與框架協同作用；大震，剪力墻主要承受大部分的水平力，作為第一道抗震防線；而隨著剪力墻出現塑性變形后，框架為保證結構的延性和穩定，成為了第二道抗震防線。A級高層在相同的設防烈度和相同的結構高度下，根據《高規》表3.9.3，框剪結構中框架的抗震等級要求比純框架結構相對低一些，而剪力墻抗震等級比純剪力墻結構相對高些。

3 框剪結構的設計方法

傾覆力矩：根據《高規》第8.1.3條， 框剪結構抗震設計為在水平地震力作用下，應由在結構底層中框架部分承受的地震傾覆力矩與結構總地震傾覆力矩的比值來確定相應的設計方法，并應符合下列規定。

框架部分承擔的地震傾覆力矩小于等于結構總地震傾覆力矩的10%時，按剪力墻結構進行設計，其中的框架部分按框剪結構的框架設計；框架部分承受的地震傾覆力矩大于結構總地震傾覆力矩的10%但是不大于50%時，按框剪結構進行設計；框架部分承受的地震傾覆力矩大于結構總地震傾覆力矩的50%但是不大于80%時，按框剪結構進行設計,其最大適用高度﹑框架部分的抗震等級和軸壓比限值見按表1；框架部分承受的地震傾覆力矩大于結構總地震傾覆力矩的80%時，按框剪結構進行設計,其最大適用高度及框架部分的抗震等級和軸壓比限值見按表1。當結構的層間位移角不能滿足框剪結構的要求時，可進行結構抗震性能分析和論證[2]。

表1 框架傾覆力矩Mf/M0與結構體系

【例1】某辦公樓為A類框剪結構，抗震設防烈度為7度，地震加速度為0.1g,Ⅱ類場地，房屋高度為H=50m的丙類建筑?？蚣艹惺艿牡卣饍A覆力矩為Mf=70%，第五層的柱子為700mmX700mm,混凝土為C30，fc=14.3N/mm2,水平風荷載，水平地震作用和重力代表值作用下的軸力標準值分別為：Nw=1100kn,Nek=550kn,Ngk=3500kn，請確定該柱子的軸壓比，并求出該房屋最大的適用高度。（剪跨比λ＞2）

1.軸壓比：根據題中已知條件：抗震設防烈度為7度，加速度為0.1g，A級，丙類，剪跨比λ＞2根據《高規》表5.6.4規定，H=50m＜60m，可不考慮風荷載；《高規》表3.9.3規定剪力墻的抗震等級為二級。

根據《高規》8.1.3條第3款規定，本題中框架的傾覆力矩比為70%大于50%，則框架柱的抗震等級按框架結構中框架柱子的抗震等級取，根據《高規》表 3.9.3查出，該柱子的抗震等級為二級。

2.最大適用高度：根據《高規》8.1.3條第3款規定：

0.2V0的調整：抗震設計時根據《高規》第8.1.4條，在水平地震力作用下，框剪結構中各層框架總剪。

力標準值應符合下列要求：

當樓層滿足 Vf大于等于0.2V0時，框架總剪力標準值不必調整。

框剪結構中各層框架總剪力（即第i層框架柱剪力之和）Vf＜0.2V0時，取下列Vf =0.2V0與Vf=1.5Vf,ma兩式的較小值采用，但應滿足樓層最小地震剪力系數要求[2]。

（1）計算各層框架內力的增大系數：框架內力的增大系數可取下列兩式中的較小值[3]。

λi--第i層框架的剪力增大系數；Vfi——未經調整的第i層框架部分的樓層總剪力。

V0---在水平地震作用下，對框架柱數量基本不變的結構，為結構底層總剪力標準值；對框架柱數量分段有規律變化的結構，應取每段底層結構的總剪力標準值[1-2]。

Vf---水平地震力作用下，未經調整的各層（或某一段內各層）框架承擔的地震總剪力標準值。

Vf，max--在水平地震力作用下，未經調整的各層框架承擔的地震總剪力標準值中的最大值（對框架柱數量基本不變的結構）；對框架柱數量沿著建筑高度分段有規律變化的結構應取每段中對應于未經調整的各層框架承擔的地震總剪力標準值中的最大值[1-2]。

(2)在地震作用下，框架柱的軸力（標準值）不予調整。各層框架所承擔的地震總剪力按3.2.2規取，同時按框架內力的增大系數來調整每根框架柱和與之相連框架梁端部彎矩和剪力標準值。

(3)在滿足《高規》樓層最小地震剪力系數前提下，按振型分解反應譜法計算地震作用時，增大系數的整可在振型組合之后。

[例2]1.某13層鋼筋混凝土框剪結構，房屋高52m，抗震設防烈度為8度，框架抗震等級為二級，剪力墻為一級。該結構框架柱子數量各層基本不變，結構底層的地震作用標準值的總剪力為V0=15560kn，某樓層框架承受的地震總剪力Vf=1750KN（未經調整的）,在結構13層中，框架的地震總剪力的最大值（每層）為Vf,max=2650kn（未經調整的）。該樓層中的一根柱子的內力標準值為：彎矩 M=±305kn.m ,剪力V=±95kn，N=±1050kn ，請確定，在水平地震力的作用下，該柱子的內力標準值M’,V’,N’(剪重比滿足《高規》要求)。

根據《高規》8.1.4條第一款確定：

Vf=1750kn ＜0.2V0=0.2X15560=3112kn 所以該樓層的地震作用標準值需要調整，調整后的總剪力為Vf={0.2V0，1.5Vf,max}min=3112kn,調整系數λ =3112/1750≈1.778。

根據《高規》8.4.1第2款要求，柱子的軸力不需要調,調整后的柱子內力的標準值如下：

M’=Mλ=±305X1.778≈±542kn.m;V’=Vλ=±95X1.778≈±168.91kn;N’=N=±1050kn

4 設計建議

計算及分析：

見本文表1，框剪結構在程序計算中，在結構底層框架部分承但的地震傾覆力矩與結構總的地震傾覆力矩在規定的水平力作用下的比值各不相同，結構性能也存在著不小的差別，但在模型計算時，均應按框剪結構進行計算分析。同時在設計時，按著此比值來確定其相應的抗震構造措施和結構的適用高度。

強框架的框剪結構：（框架部分承受的地震傾覆力矩在50%~80%之間）。

（1）抗震等級﹑軸壓比及高度：見本文表1所列

（2）防震縫：根據《抗震規范》要求，強框架的框剪結構防震縫寬度，建議按框架結構取。少量剪力的框架結構:（框架部分承受的地震傾覆力矩大于80%時）。

（3）計算原則：對這類框架結構按純框架結構和框剪結構分別計算，包絡設計。

（4）抗震等級﹑軸壓比及高度：見本文表1所列。

（5）應用：布置少量的剪力墻，使結構的彈性層間位移角滿足限值要求，同時改善框架的抗震性能。根據《抗震規范》6.1.4條第2款要求，設防烈度為8﹑9度且帶有防震縫的鋼筋混凝土框架結構房屋，在縫兩側結構的層高相差較大時，宜沿著房屋全高在縫的兩側各設置不少于兩道垂直于防震縫的抗撞墻?？拐饓Φ目拐鸬燃壱送蚣芙Y構；（框架）構件的內力應按不設置和設置抗撞墻兩種模型的計算，取不利值。

（6）抗震縫：對于這類結構其抗震縫的寬度應按框架結構確定。

0.2V0剪力的調整：（1）在滿足《高規》樓層最小剪力系數的要求下，樓層剪力的調整是對應于地震作用標準值的單項內力的調整，不同于組合內力的調整。在有加強層的結構中，加強層和相鄰上下層框架承擔的最大剪力除外，取其他層框架承擔的最大剪力來計算。（2）框架在地震剪力的調整時應注意結構的均勻性，當結構分段均勻變化時，可分段調整，當結構平面變化很大時，應調整結構布置，滿足結構均勻性的要求。

5 結論

（1）底層是指嵌固端所在的層,建議采用不帶地下室的絕對嵌固模型的底層框架和剪力墻的傾覆力矩來判斷。

（2）地下室框架的地震剪力可不調整。少量框架的剪力墻結構的框架剪力也可不調整，必須調整時，應采取相應結構措施。

（3）一般經濟型框剪結構其框架底部剪力宜滿足并接近0.2V0和1.5Vf,max二者的較小值。

（4）在設計中避免采用少量剪力墻或者少量框架的框剪結構，因為在設計原則上，不確定因素很多。

（5）抗震設計時，框剪結構中的剪力墻應沿著兩主軸方向均勻的布置，從而形成雙向抗側力結構體系。

（6）除個別節點外，框剪結構主體構件之間不應采用鉸接；梁，剪力墻及框架柱三者之間的中心線宜重合。

（7）剪力墻在框剪結構的布置宜電梯間﹑平面形狀有變化處﹑樓梯間﹑承受恒荷載比較大的部位及在建筑物的四周附近均勻布置。剪力墻與剪力墻之間的間距宜滿足《高層規范》的要求，不宜過大。

（8）在底部，單片剪力墻所承受的水平剪力不應超過結構總水平剪力的30%。

（9）在剪力墻中開洞時，洞口宜沿著建筑物上下對齊且貫通全高。