框架-剪力墙结构的受力特点及设计注意事项之物理论文

　　摘要：本文物理论文分析了框架-剪力墙结构的受力特点，结合具体的工程实例，分析了框架-剪力墙在设计方面的设计要求及注意事项。
　　关键词：框架-剪力墙，协同作用
　　论文正文：
　　框架结构可以实现建筑的大空间功能要求，但是高度是受限的，剪力墙结构具有较好的抗震能力，可以实现建筑层数上的要求，但是剪力墙结构的布置对开间要求是比较严，所以为了充分发挥框架和剪力墙各自的优势，框架-剪力墙结构应运而生。
　　框架-剪力墙结构是由框架和剪力墙两种不同的抗侧力结构组成，这两种结构的受力特点和变形性质都不相同，框架在水平力作用下属于剪切型变形的竖向空腹悬臂构件，而剪力墙在水平力作用下属弯曲型变形的竖向悬臂构件，由于有刚性楼盖将框架和剪力墙连接成一个整体，使框剪结构成为一个空间结构受力体系，其变形既非剪切型亦非弯曲型而是剪弯型。如下图所示：
　　由上图可以看出，在框架-剪力墙结构的下部楼层，剪力墙的位移较小，它拉着框架按弯曲型曲线变形，剪力墙承受大部分水平力；而在上部楼层则相反，剪力墙的位移越来越大，有外倒的趋势，而框架则呈内收的趋势，框架拉剪力墙按剪切型曲线变形，框架除了负担外荷载产生的水平力外，还额外负担了把剪力墙拉回来的附加水平力，剪力墙不但不承受荷载产生的水平力，还因为给框架了一个附加水平力而承受负剪力。所以，在上部楼层，即使外荷载产生的楼层剪力很小，框架也出现相当大的剪力。究竟剪力在框架和剪力墙之间是如何分配的呢？
　　我们知道，在一般剪力墙结构中，由于所有的抗侧力结构都是剪力墙，侧移曲线类似，所以水平力在各片剪力墙之间按其等效刚度EIeq的比例大小分配。而框架的工作特点类似于竖向悬臂剪切梁，其变形曲线为剪切型，楼层越高水平位移增长越慢，在纯框架结构中，所有框架的变形曲线类似，所以水平力按各框架的抗推刚度D的比例大小分配。在框架-剪力墙结构体系中，由于有楼板和连梁的连接作用，使框架和剪力墙协同工作，有共同的变形曲线，因而在框架与剪力墙之间产生了相互作用的力，这些力自上而下并不是相等的，有时甚至会改变方向。在框架-剪力墙结构的设计中，一般在方案设计阶段，框架的轴线尺寸已经有建筑要求确定，梁、柱截面尺寸也可按照框架结构的要求决定。结构要最后确定剪力墙布置的多少及位置分布。在框架-剪力墙结构中，剪力墙是抗震的第一道防线，而框架是抗震的第二道防线。一般，剪力墙的数量多，地震震害轻，多设剪力墙可以提高建筑物的抗震性能。但是，如果剪力墙的数量超过了实际需要，超过了合理数量，就会增加建筑物的造价，在经济上是不合算的。剪力墙增多，结构的刚度也随之增大，周期缩短，地震力也加大，不仅使上部结构内力增大，材料耗用量增大，而且也使基础设计困难，基础造价提高。而且，增加剪力墙后，框架负担的水平力会有所减小，但是为了保证第二道防线充分发挥作用，它所采用的设计剪力Vf不能小于一定的限额，即使剪力墙再多，框架部分耗用的材料也并不能减少。一般在具体设计时，可以布置剪力墙使框架-剪力墙结构的楼层最大位移与层高H之比达到《建筑抗震设计规范》或《高层建筑混凝土结构技术规程》的规定（ΔU/H不小于1/800）。而且，应保证在规定的水平力作用下，结构底层框架部分承受的地震倾覆力矩与结构总地震倾覆力矩的比值满足规范规定，当框架部分承受的地震倾覆力矩不大于结构总地震倾覆力矩的10%，框架不能跟剪力墙协同工作，所以应该按纯剪力墙结构进行设计，其中的框架部分按框架-剪力墙的框架设计；当框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的10%但是又不大于50%时，二者按框架和剪力墙的理想协作关系发挥作用，按框架-剪力墙结构设计；当框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%但不大于80%时，说明结构中剪力墙数量偏少，框架承担较大的地震作用，此时框架部分的抗震等级和轴压比限值宜按框架结构的规定采用，剪力墙部分的抗震等级和轴压比按框架-剪力墙结构规定采用，但其最大适用高度不宜再按框架-剪力墙结构的要求执行，可比框架结构的要求适当增加；当框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的80%时，意味着结构中剪力墙数量极少，此时框架部分的抗震等级和轴压比限值应按框架结构的规定执行，剪力墙部分抗震等级和轴压比按可按框架-剪力墙结构的规定采用，但其最大适用高度宜按框架结构采用，这种少墙框剪结构抗震性能较差，不主张采用，当结构的层间位移角不能满足框架-剪力墙结构的规定时，可按高规第3.11节有关规定进行结构抗震性能分析和论证。那么，剪力墙具体又该怎么布置呢？
　　框架-剪力墙结构中的剪力墙是抗震抗风的主要结构，应沿各主要轴线方向布置，在矩形、L型和槽型平面中，剪力墙应沿两个正交方向布置。一般情况，剪力墙应在纵横两个方向同时布置，并使两个方向的自振周期比较接近。布置原则是“均匀、分散、对称、周边”，均匀、分散是要求剪力墙的片数多，每片的刚度不要太大，《高规》规定，单片剪力墙底部承担的水平剪力不应超过结构底部总水平剪力的30%，因为片数太少，地震中万一个别剪力墙破坏后，剩下的墙再也无法承受全部地震力，局部损坏会导致全局性的影响，而且，地震力集中到一两片墙上，墙受得内力太大，截面实际困难（尤其是连梁），相应地基础承受过大的剪力和倾覆力矩，尤为难以处理。对称、周边布置是对高层建筑抵扭转的要求，剪力墙的刚度大，他的位置对楼层平面刚度分布起决定性的作用，剪力墙对称布置，就能基本能上保证建筑物的对称性，是水平力能从刚度合力点通过，避免和减小建筑物受到的扭转。另一方面，剪力墙沿建筑平面的周边布置可以最大限度地加大抗扭转的内力臂，提高整个结构的抗扭能力。剪力墙的间距太大，仅仅通过刚性楼板连接的框架和剪力墙的协同作用就不能充分发挥，所以一般剪力墙的间距不宜过大。剪力墙是结构的主要抗侧力构件，其刚度贡献至关重要，所以一般剪力墙宜贯通建筑物的全高，避免刚度突变，开洞时，洞口宜上下对齐。具体可以布置在以下部位：1.竖向荷载较大处，此处主要考虑：剪力墙可以承受较大的竖向荷载，避免了设置尺寸过大的柱子，满足建筑布置的要求；剪力墙是主要抗侧力结构，承受很大的弯矩和剪力，需要较大的竖向荷载来避免出现轴向拉力，（规范也明确规定，抗震设计的双肢墙，其墙肢不宜出现小偏心受拉）提高截面承载力，也便于基础设计。2.平面形状变化处，此处容易在楼面上产生大的应力集中，地震时也常常发生震害，设置剪力墙予以加强是很有必要的。3.楼梯间和电梯间，特别是在端部和凹角处设置楼电梯时，受力更为不利，采用楼电梯竖井来加强是有效的措施。当平面有较长的外伸时，宜在外伸段的适当部位设置剪力墙，以减少外伸段的无支承点的悬臂长度。
　　整体布置上，剪力墙宜成组布置，纵横向剪力墙宜合并布置为L形、T形和口字形，以使纵墙可以作为横墙的翼缘，横墙也可以作为纵墙的翼缘，从而提高其强度和刚度。同时剪力墙的长度也应当适当。为了保证剪力墙具有足够的延性，不发生脆性的剪切破坏，每一道剪力墙（包括单片墙、小开口墙和联肢墙）不应过长，总高度和总长度之比H/L宜大于2，连成一片的当个墙肢长度不宜大于8m，以免因剪切而破坏。而且，墙肢多长，中间部分的钢筋还未屈服，端部钢筋早就因变性过大而断开，致使许多竖向分布钢筋难以发挥作用。设置剪力墙后，端部的框架柱应予以保留，柱作为剪力墙的端部翼墙，剪力墙的端部钢筋配置在柱截面内，短柱加强剪力墙的承载了和稳定性，使剪力墙的延性大大提高。位于楼层上的框架梁也应保留，因为其作为剪力墙的横向加劲肋，可以提高剪力墙的极限承载力。同时，剪力墙宜设在框架梁柱轴线平面内，保持对中，如果剪力墙因建筑要求需要设在柱边，应加强柱的箍筋以抵抗扭转的影响。以下为几个框架-剪力墙结构的设计实例：
　　某医院，地下一层，地上十四层，设计时采用的是框架-剪力墙结构体系，最初只是在楼电梯位置布置了几片剪力墙，结构由于结构严重不规则，第一周期就出现扭转，后来经过多轮的试算。
　　某国税局主楼10层，如果采用纯框架设计抗震措施造价比较大，而且抗震性能也不是很好，最终采用了框架-剪力墙结构体系，布置剪力墙的时候也是试了很多次，最终选定的剪力墙布置如下图所示，既可以满足结构整体的抗震、周期、位移要求，又可以保证建筑造价经济。
　　综上论文，框架-剪力墙结构从建筑上来看，可以满足建筑的大空间要求，从结构上来讲，如果设计合理，可以充分发挥框架和剪力墙两种不同结构形式的受力优势，大大提高建筑物的抗震性能，而且还可以节约造价，可以说是一举多得。以上是本人设计的一点经验总结，由于水平有限，不足之处请各位同仁多加指教。
　　参考文献：
　　1.《建筑抗震设计规范》GB50011-2010
　　2.《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010
　　3.《高层结构设计》赵西安编著中国建筑科学研究院