論框架與剪力墻結構設計之優缺點及設計對策

【摘 要】我國建筑行業的快速發展，促進了高層結構的廣泛應用，而框架結構更多的應用于多層車間等結構。作為專業技術設計人員均應從建筑的體型及平面功能要求合理選擇適當的結構體系，并嚴格按照現行規范要求，設計出即經濟又實用的結構。

【關鍵字】框架結構；剪力墻結構；設計；措施

隨著我國經濟的飛速發展，建筑行業也在此期間有了快速的發展，從以前的多層占主導地位，到現今的高層鱗次櫛比。但隨著城市的快速發展，土地的消耗量與日俱增，這勢必會促使人們就如何減少土地使用量的同時又滿足消費者的剛性需求之間去尋求一種平衡。這樣就促進了高層結構的廣泛應用，而框架結構更多的應用于多層車間等結構。

1 結構體系的受力特點

1.1 框架結構體系

1.1.1 框架結構體系以梁與柱為受力構件，通過抗彎節點連接構成。即承受豎向荷載，也承受水平荷載，此種結構體系較適用于多層建筑及高度較低的高層建筑（詳見《建筑抗震設計規范》GB50011-2010中第48頁表6.1.1）。

1.1.2 框架結構的優點是建筑平面布置靈活，可以做成有較大空間的車間、辦公樓、會議室、教室等。當使用方需要時可自行分隔成小房間，或拆除部分隔墻形成大開間，因而使用上非常靈活；另外墻體均為非承重墻，立面設計可不受限制，能靈活多變。

1.1.3 框架結構可通過合理的設計，形成良好的抗震性能。但框架結構側向剛度相對較小，結構頂點位移和層間相對位移較大，在水平地震力作用下，容易發生剪切變形，使得非結構構件在地震時容易破壞，因此一般框架結構適用高度相對較低。當框架結構平面布置較規則時，由于各部分剛度比較均勻，框架結構具有較大延性，自振周期長，因而對地震的作用不是很敏感，抗震性能較好。

1.1.4 框架結構在抗震設計時不應采用部分由砌體墻承重的混合形式，框架結構中的樓梯、電梯間及局部出屋頂的電梯機房、樓梯間、水箱等應采用框架承重，不應采用砌體墻承重。樓梯休息板宜用柱支承，而不宜用折梁做法，局部突出屋面的結構不宜布置在房屋盡端。

1.2 剪力墻結構體系

1.2.1 剪力墻結構體系是利用混凝土墻體承受豎向及水平力，同時它又作為建筑物的維護結構及房間分隔墻。剪力墻在抗震設計中也稱抗震墻，它在自身平面內剛度很大，強度很高，整體性能好，在水平荷載作用下變形小，抗震性能較強，因此它適用于高度較高的高層建筑。

1.2.2 剪力墻結構的墻間距不能太大，平面布置沒有框架結構來的靈活，因此比較適用于高層住宅建筑及辦公建筑，而不適用于大型公共建筑。當為滿足大開間需求時，可把底部一層或幾層的部分剪力墻取消，用框架代替，即可形成底部大空間剪力墻結構，這種結構稱其為框支剪力墻結構。

1.2.3 剪力墻結構一般在水平荷載下發生彎曲變形。當把以上兩種結構體系用在同一個結構中時，通過梁板等水平構件協同工作，共同抵抗水平荷載，即形成框架-剪力墻結構體系，此種體系的彎曲變形一般呈彎剪型，通過對兩種結構的取長補短，達到更好的受力性能，上部位移也比純剪力墻結構小好多，但比框架結構要大。

2 以上兩種體系的延性設計

眾所周知，結構延性越好，塑性鉸出現的越多，結構的抗震性能就越好。在大震下，即使結構構件達到屈服，仍然可以通過屈服截面的塑性變形來消耗由地震產生的巨大能量，有效的避免了結構發生脆性破壞。

2.1 框架結構的延性設計原則

2.1.1 強柱弱梁。設計原則是控制塑性鉸在框架中出現的位置。不會引起結構局部或整體破壞的塑性鉸應早出、多出。在設計延性框架時，要控制塑性鉸，使之在梁端出現（不允許在跨中出現塑性鉸）。梁的延性遠大于柱，這是由于柱是壓彎構件，軸力大，其延性不如受彎構件；而作為結構的主要承重構件，柱子破損不易修復，也容易導致結構倒塌，因此延性框架應設計成強柱弱梁結構。

2.1.2 強剪弱彎。要保證梁、柱構件具有足夠延性，其要害是防止構件過早出現脆性剪切破壞。這里對梁柱的剪跨比提出了具體的要求：<1>受彎構件，剪跨比＝a/h0;<2>受壓構件，剪跨比＝M/(Vxh0) ;當框架柱反彎點在層高范圍內時，柱剪跨比＝Hn/2h0。盡量使柱剪跨比大于等于2，若小于2既為短柱，柱子將發生以剪切為主的脆性破壞，延性低。

2.1.3 強節點，強錨固。必須保證各構件的連接部位不過早破壞，這樣才能充分發揮構件塑性鉸的延性作用，不出現脆性剪切破壞。

2.2 剪力墻結構的延性設計

2.2.1 強墻肢，弱連梁。與框架的強柱弱梁類似，聯肢墻的破壞形態以強墻肢弱連梁為好，即連梁先于墻肢屈服，使塑性變形和耗能分散于連梁中，但允許墻肢屈服，降低對連梁延性和耗能能力的要求，《建筑抗震設計規范》GB50011-2010中通過彈性計算時連梁的剛度折減，從而減小連梁的內力設計值，降低連梁的承載力。

2.2.2 強剪弱彎。采用剪力墻增大系數調整墻肢底部加強部位截面的剪力計算值和連梁梁端截面組合的剪力設計值，使墻肢和連梁實現強剪弱彎。

2.2.3 限制剪跨比。剪力墻的破壞形態與剪跨比有很大關系。剪跨比＝M/Vh，當超過2時，以彎曲變形為主，彎曲破壞的墻具有較大的延性。剪跨比小于1時，以剪切破壞形態為主，塑性變形能力很差。

2.2.4 限制墻肢軸壓比。軸壓比是影響墻肢延性的主要因素之一，因低軸壓比墻肢有較好耗散能力，而墻肢底部是最有可能屈服，形成塑性鉸的部位，當然底部軸壓比肯定是最大的部位，所以底部的軸壓比需受到嚴格限制。

2.3 墻肢的延性設計

2.3.1 避免出現小剪跨比。

2.3.2 設置底部加強部位。

2.3.3 設置約束邊緣構件。

2.3.4 墻肢端部設置鋼骨。

2.3.5 控制分布鋼筋的最小配筋率。

2.4 連梁延性設計

2.4.1 降低連梁剛度或彎矩設計值。連梁是一個受到反彎作用的梁，通?？绺弑榷急容^小，因而容易出現斜裂縫，也容易出現剪切破壞。為了做到強墻弱梁，減小連梁剪力，在內力計算后連梁可進行調幅來降低其彎矩及剪力。但折減系數也不能過小，以保證連梁有足夠的承受豎向荷載的能力。

2.4.2 混凝土連梁開縫。將連梁沿梁高方向分成幾根跨高比較大的梁，在大震時發生延性較好的彎曲破壞。

2.4.3 采用交叉配筋形式。斜筋抵抗由抗剪作用所引起的拉應力，可有效的防止斜裂縫的開展。

3 鋼筋混凝土結構的構造措施

3.1 框架結構主要構造措施：

3.1.1 框架結構梁抗震設計時，縱向受拉鋼筋的最小配筋百分率不應小于《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010第62頁表6.3.2-1中的數值；梁端箍筋的加密區長度，箍筋最大間距和最小直徑應符合表6.3.2not;-2中的數值；當梁端縱向鋼筋配筋率大于2%時，表中箍筋直徑應增加2mm。

3.1.2 框架柱的構造要求。柱剪跨比宜大于2，否則就變成短柱，箍筋需全高加密；柱截面高寬比不宜大于3；《建筑抗震規范》GB50011-2010對柱的軸壓比限值有了修改。柱縱向受力鋼筋最小配筋百分率需滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010中第67頁表6.4.3-1;抗震設計時，柱箍筋在規定的范圍內加密，加密區的箍筋間距和直徑應符合表6.4.3-2的要求。剪跨比不大于2的柱，箍筋間距不應大于100mm；邊柱、角柱及剪力墻端柱考慮地震作用產生小偏心受拉時，柱內縱筋總截面面積應比計算值增加25%。當柱截面大于等于600，且軸壓比較大時，需手工驗算柱箍筋加密區的體積配箍率。

3.2 剪力墻結構主要構造措施：

3.2.1 剪力墻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。

3.2.2 底部加強部位一般從地下室頂板算起，高度取地上兩層及墻肢總高度的1/10二者的較大值。

3.2.3 不宜采用一字型短肢剪力墻，不宜在一字型短肢剪力墻上布置平面外與之相交的單側樓面梁。

3.2.4 按墻肢軸壓比合理設置剪力墻兩端及洞口兩側的邊緣構件。

3.2.5 剪力墻豎向和水平分布鋼筋的配筋率，一、二、三級時均不應小于0.25%;四級及非抗震時均不應小于0.20%。

3.2.6 剪力墻的豎向和水平分布鋼筋的間距均不宜大于300mm，直徑不應小于8mm。剪力墻的豎向和水平分布鋼筋的直徑不宜大于墻厚的1/10。

3.2.7 房屋頂層剪力墻、長矩形平面房屋的樓梯間和電梯間剪力墻、端開間縱向剪力墻以及端山墻的水平和豎向分布鋼筋的配筋率均不應小于0.25%，間距均不應大于200mm。

綜上所述，我們設計人員均應從建筑的體型及平面功能要求合理選擇適當的結構體系，并嚴格按照現行規范要求，設計出即經濟又實用的結構。