剖析框架—剪力墙结构设计及抗震措施要点

剖析框架—剪力墙结构设计及抗震措施要点

吕浪

吕浪广西华宇建工有限责任公司广西北流市537400

摘要：框架剪力墙结构(框剪结构)，是在框架结构的基础上，增加了剪力墙，提高结构稳定性。框剪结构中的剪力墙可以单独设置，也可以利用电梯井、楼梯间、管道井等墙体。因此，这种结构已被广泛地应用于各类房屋建筑。本文在此从框架—剪力墙的构造设计内容出发，对其结构设计要点及抗震措施做了具体的分析。

关键词：框架—剪力墙；构造；抗震性能

前言：框架剪力墙结构(框剪结构)，是在框架结构的基础上，增加了剪力墙，提高结构稳定性。与框架结构相比，框剪结构强度更高，可以建造更高层数的建筑。框剪的理论寿命长。框剪结构吸取了框架结构和剪力墙的长处，既能为建筑平面布置提供较大的使用空间，又具有良好的抗侧力性能。

一、框架剪力墙的构造设计内容

框架墙结构就高层建筑而言，在实际工程中运用最多,抗震墙要有足够的数量以满足层间位移限值,位置相对灵活。抗震墙适合连续布置、全长贯通。在设计时应避免墙肢长度的突变以及洞口上下的不对齐。同时，洞边距柱的内侧应不小于300mm，以保证柱作为边缘构件的作用和约束边缘构件的长度。双向抗侧力的结构形式是使纵横墙相连，使彼此成为有缘的剪力墙。对于一、二级抗震框架剪力墙,连梁跨高比不宜大于5,且高度不小于400mm。柱中线与梁、墙中线不宜大于柱宽的1/4,以减少地震作用对柱的扭转效应，否则可以采取加强柱内配箍率的方法来弥补。

如果剪力墙的剪跨比大于2，连梁的跨高比大于2.5,那么设计的剪压比不宜大于0.2，但如果剪力墙的剪跨比小于2，连梁的跨度比小于2.5,那么剪压比不大于0.15。另一方面，框架剪力墙结构的底部加强区的设计范围应该不小于200mm且不小于层高的1/16,其他部位应不小于160mm且不小于层高的1/20，框架剪力墙结构的墙周围应设置梁或暗梁与端柱组成边框。剪力墙的水平分布能够起抗剪作用,这种设计中，当建筑物较高较长或为框剪结构时，配筋应该适当增加,特别是在梁部位或温度、刚度变化等敏感部位最好适当增加；这时还应该考虑到墙的竖向钢筋，因为它主要起抗弯作用，并且在一些多层剪力墙构造配筋时所取的配筋率一般不扣除约束边缘构件或构件边缘构件的钢筋。

二、框架-剪力墙结构设计要点

1、框架结构配置合理

框架-剪力墙结构的布置原则是遵循均匀、分散、对称、周边。分散原则是剪力墙的片数不可太少,并且每片剪力墙的刚度也不要太大,而剪力墙的连续尺寸则不应太长,这样使抗侧力构件数量尽量分散,每片剪力墙的弯曲刚度恰好适中,这样在使用中，既不会使个别墙的受力太集中，也不会因为个别剪力墙的局部破坏而影响整体的抗侧力性能,或者因负担过重而引起过早损坏。刚度过大的剪力墙相应的压力也承担的要大,也会增加它的基础处理难度,同时我们也必须考虑到如果两片剪力墙之间相距太远的话,楼面刚度的要求大太,就很难满足要求。周边原则的要求是为保证刚度中心与平面中心相吻合，必须要考虑建筑物的抵抗扭转能力;剪力墙通常都是布置在周边对称的位置,这样就能增加剪力墙抵抗扭转的内力臂,从而在不增加剪力墙面积的情况下,提高自身的抗扭转能力。在城市高层建筑的楼梯间,电梯间,管道井处,楼面开洞现象会严重地削弱楼板的刚度,这样对保证框架-剪力墙结构的的协同工作产生了不利影响。针对这种现象,为了强固这些薄弱环节，就要在工程设计中使用钢筋混凝土剪力墙,如楼梯间,电梯井道处,竖向管道井等会起到非常好的效果。剪力墙之间的间距,对现浇钢筋混凝土楼盖L/B=2—4为宜,对装配整体式钢筋混凝土楼盖L/B=1—2.5为宜,原则上是建筑物高度越高,取值愈小。

2、控制轴压比

某工程在进行初步设计时，业主提出当地混凝土搅拌站无法保证C40以上混凝土施工质量，混凝土最高强度等级为C40。根据规范，一级框架剪力墙结构框架柱轴压比为0.75，若按框架柱轴压比为0.75设计，框架柱的截面面积很大，影响建筑平面布局。故框架柱采取规范提出的构造措施提高柱轴压比限值至0.90设计。底部加强区剪力墙厚度为350mm，混凝土强度等级为C40，能够满足设计要求。由于混凝土强度等级低，在一些高层建筑结构的底部几层，为了使剪力墙轴压比不超过国家相关规定的限值，会产生剪力墙厚度很大的不合理情况。科学研究成果表明，即使是高宽比为1.0的低剪力墙，也同样可以具有良好的延性功能。

3、剪力墙的合理布置

（1）为了增强整体结构的抗扭能力，弥补结构平面形状凹凸引起的薄弱部位，减小剪力墙设置在房屋外围而受室内外温度变化的不利影响，剪力墙宜均匀布置在建筑物的周边附近（第一内跨）、楼梯间、电梯间、平面形状变化或恒载较大的部位，剪力墙的间距不宜过大（高规表8.1.8）；平面形状凹凸较大时，宜在凸出部分的端部附近布置剪力墙。

（2）纵、横向剪力墙宜组成L形、T形和匚形等形式，以使纵墙（横墙）可以作为横墙（纵墙）的翼缘，从而提高其刚度、承载力和抗扭能力；楼、电梯间等竖井宜尽量与靠近的抗侧力结构结合布置，以增强其空间刚度和整体性。

（3）剪力墙布置不宜过分集中，单片剪力墙底部承担的水平剪力不宜超过结构底部总剪力的40%，以免结构的刚度中心与房屋的质量中心偏离过大、墙截面配筋过多以及不合理的基础设计。当剪力墙墙肢截面高度过大时，可通过开门窗洞口或施工洞形成联肢墙（一般不超过8m）。

（4）剪力墙宜贯通建筑物全高，避免刚度突变；剪力墙开洞时，洞口宜上、下对齐。抗震设计时，剪力墙的布置宜使结构各主轴方向的侧向刚度接近。

（5）在长矩形平面中，如果两片横向剪力墙的间距过大，或两墙之间的楼盖开大洞时，楼盖在自身平面内的变形过大，不能保证框架与剪力墙协同工作，框架承受的剪力将增大；如果纵向剪力墙集中布置在房屋两端，中间部分楼盖受到两端剪力墙的约束，在混凝土收缩或温度变化时容易出现裂缝。

三、框架-剪力墙结构抗震分析

1、框架-剪力墙的抗震性能

框架-剪力墙结构比框架结构在减轻框架及非结构部件的震害方面有明显的优越性，剪力墙可以控制层间位移，减低了对框架的延性要求，简化了抗震措施。由于框架、剪力墙的共同作用，顶层高振型的鞭梢效应可以大为减轻。同纯框架结构相比，加上剪力墙后结构的耗能能力为同高度框架结构的20倍左右，剪力墙还有在强震作用下裂而不倒和事后易于修复的优点。

2、框架-剪力墙的抗震设计

框架-剪力墙结构是具有多重防线的抗震结构体系。在大震作用下，随着剪力墙刚度的退化，框架起着保持结构稳定及防止全部倒塌的作用（二道防线），此时框架并不需考虑过大的地震作用（但亦需有一定的承载力储备），因为已开裂的剪力墙仍有一定的耗能能力，同时结构刚度的退化，也在一定程度上降低了地震作用。

大震作用下剪力墙开裂，刚度退化同时也引起了框架与剪力墙之间的塑性内力重分布，这需要对原有的内力分析结果作一些调整，赋予框架一定的安全储备，以实现多道设防的原则。

框架-剪力墙结构会推迟框架塑性机制的形成，因此框架部分不需要严格按强柱弱梁的原则进行设计。对梁柱节点的设计要求也可适当放宽。

框架-剪力墙结构抗震设计的基本思想是“强剪弱弯，强肢弱梁，可靠的楼盖”。在抗震设计时应做到以下几点：

（1）墙体受弯破坏要先于受剪或其他形式的破坏，并且要把这种破坏限定在墙体中某个指定的部位。

（2）联肢剪力墙的连梁在墙肢最终破坏前应具有足够的变形能力。

（3）与剪力墙相连的楼盖（及屋盖）应具有必要的承载力和刚度。

四、结语

总之，框架-剪力墙结构设计的目标是通过实现整体结构功能，尽可能的发挥降低地震破坏力的作用，作为一个建筑结构设计师，应该全力避免结构不合理现象的存在而导致建筑物抗震力、抗压力的低下，努力实现抗震减灾。