框架-剪力墻結構中剪力墻的設計

摘要：本文探討了框剪結構中剪力墻的厚度、數量及長度的確定，從剪力墻的平面、豎面闡述了剪力墻的布置，結合建筑使用要求，確定剪力墻的數量和布置方式是在框架剪力墻結構設計中最重要的。

關鍵詞：框架剪力墻 布置

0 引言

建筑技術需要隨工業化、城市化的日益發展而發展，高層建筑越來越成為建筑形式的首選，因為高層建筑具有節約用地、節省投資等方面的優勢。高層建筑結構體系根據抗側力體系的不同可分為：剪力墻結構、框架結構、框架—剪力墻結構、筒中筒結構和多筒結構體系。

我所參與設計的東北電網電力調度交易中心大樓，采用的是型鋼混凝土框架-剪力墻結構，此設計獲得了省優秀設計一等獎。下面結合設計經驗，就框剪結構中剪力墻的設計加以探討。

1 確定剪力墻的厚度

框剪結構體系中，邊框柱和邊框梁宜作為剪力墻的邊緣約束構件。帶邊框剪力墻的截面厚度在規范中規定分別為：①一、二級剪力墻的底部加強部位抗震設計時的厚度不允許小于200mm，同時不宜小于層高的1/16；無端柱或翼墻時，不宜小于層高或無支長度的1/12；②其他情況不應小于160mm，且不宜小于層高的1/20；無端柱或翼墻時，不宜小于層高或無支長度的1/16。邊框梁的高度可取墻厚度的2倍，宜取與墻厚度相同的寬度。結構安全和經濟合理等特點是一個合理的剪力墻厚度應具有的。

2 框架—剪力墻計算方法

在水平荷載作用下的框架—剪力墻體系，由框架和剪力墻共同承受外荷載，這種解析方法是基于連續化思想來計算框架—剪力墻。換言之，通過剛性鏈桿，即剛性樓蓋的作用將框架和剪力墻連在一起。相互作用的集中力Pft會在鏈桿切斷后，在樓層標高處剪力墻與框架間產生。計算時將集中力Pft簡化為連續的分布力Pf，以便于計算。與這相對應，框架變形與剪力墻相同的變形連續條件，在每一樓層標高處，簡化為框架變形與剪力墻相同的變形連續條件，在沿整個建筑高度范圍內。位移y與荷載P(x)之間對普通梁關系如下：EI■=P（x）

對剪力墻來說，承受外荷載與框架彈性反力的一個彈性地基梁，可視其為上端自由下端固定。除承受分布荷載p(x)，同時承受分布反力Pf，因引，在位移與反力Pf、荷載P(x)之間微分關系如下式所示：EI■=P（x）-Pf

解微分方程求出剪力墻，也就是求出了框架的位移曲線y(x)，然后再利用下面所示的微分關系，求出剪力墻的荷載和內力：彎矩：EI■=M

剪力：EI■=V

均布荷載：EI■=p

可由位移曲線y(x)，再來求出框架所受的荷載和剪力即：荷載：■=CF■μ-pr 剪力：VF=CF?茲=CF■

可由D值法或反彎點法求得，式中的CF，它為框架的剪切剛度，可用下列規范中的等效公在式考慮柱軸向變形來加以求得。

CFo=■

3 剪力墻的數量和長度的確定

結構在地震作用下的周期、層間位移角等等計算信息，相對較容易滿足。剪力墻和框架柱各自承擔的傾覆彎矩之間比例的控制，應當引起足夠的注意，對此《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010給出了更加詳細劃分。由公式：L=A/h可以看出，在確定了剪力墻的厚度和面積之后，剪力墻的長度通過計算就可以知道了。為了避免剪力墻的脆性的剪切破壞，要求剪力墻應具有延性，細高的墻體和高寬比設計成大于2的墻體，此較容易設計成彎曲破壞的延性剪力墻，此時便可以滿足此要求。因此，每個墻段高寬比大于2，也就是我們設計時應達到的要求，如果因為墻的長度很長無法滿足高跨比的要求時，開設洞口將長墻分成均勻的、長度較小的聯墻肢或整體墻。因為開洞而形成的洞口連梁，最好采用約束彎矩較小的連梁進行連接，這樣一來，近似認為墻段本身分成了獨立的墻段。另外，位于連梁兩端的剪力墻一般較長，這樣，連梁與其所連接的剪力墻就形成了一個整體剛度較大，吸收水平地震力能力較強。此時，連梁作為剪力墻之間的傳力構件就很容易出現剪切超限，洞口在這時應可以考慮開得大一些。從而位于連梁兩側的剪力墻的長度就可以相應的減小，由于受彎而引起的裂縫寬度此時也變得較小，那么位于剪力墻體內的配筋就能夠充分的起到作用。

4 剪力墻的布置

4.1 剪力墻布置原則。①平面形狀凹凸較大時，剪力墻宜在凸出部位的端部附近布置。②在建筑物的周邊、樓梯間、電梯間、平面形狀變化和豎向荷載較大等部位宜均勻布置剪力墻。③縱橫剪力墻一般以L形、T形和槽形等形式組成。④剪力墻總高度與長度之比宜大于2，而不宜太長。⑤剪力墻不宜在防震縫和伸縮縫兩側同時布置，縱向剪力墻不宜布置在端部，而應布置在中部。

4.2 剪力墻的設置位置。剪力墻對于L形、矩形、T 形、口形等平面布置，應沿縱橫兩個方向。而徑向和環向布置則應用于圓形和弧形平面時。分散、均勻、對稱、周邊布置的原則應用在每個方向的剪力墻布置上。

①分散。地震力分散作用于剛度大致相等的多片剪力墻上，是剪力墻布置時應加以考慮的。墻體內力很大，截面設計困難是因為地震力集中作用到一兩片剛度很大的剪力墻上，那么其余較弱剪力墻和框架在主要受力剪力墻破壞后就很難承受該剪力墻傳來的地震力，這時便會導致破壞。②對稱。對稱應是剪力墻布置時應盡量做到的，如果在平面上不容易做到對稱布置時，為使結構的質量中心與抗推剛度中心盡量相接近，可以通過調整剪力墻的厚度和長度并縮小偏心距，結構的扭轉振動在地震時可以得到減弱。③均勻。在建筑平面的各個區段應比較均勻地布置同方向的各片剪力墻，在某一區段內無集中現象，從而來防止因為過大的樓蓋水平變形的原因而引起的地震力在各個框架間的不均勻分配。④周邊。為獲得結構抗力的最大水平力臂，剪力墻盡可能沿結構平面的周邊布置，使整個結構的抗扭轉能力得以充分提高。⑤雙肢墻或多肢墻是在一個獨立結構單元內，同一方向的各片剪力墻設置的主要形式，而不應是單肢墻，以避免不穩定的側移機構在同方向所有剪力墻同時在底部屈服而形成。剪力墻在每一獨立結構單元的縱向和橫向應沿兩條以上，并且相距較遠的軸線進行設置，盡可能大的抗扭轉能力就會在結構內部產生。

5 對于剪力墻設置合理性的檢驗

合理設計時要求，水平位移應滿足限值，這是必要的，而達到這一要求時，并不說明它便是合理的結構。想成為合理的結構，周期、地震力大小等綜合條件還應加以周全的考慮。

5.1 通過結構自振周期的計算驗證剪力墻的布置。折減的計算自振周期對于比較正常的設計不用考慮，對于框架—剪力墻結構，T1=(0.06-0.12)×n，二、三振型的周期為T2=(1/3-1/5)×T，T=(1/5-1/7)×T。

5.2 通過計算結構的底部剪力來驗證剪力墻的布置。各層位移可以根據已有的工程計算結果、截面尺寸、結構布置都比較正常的結構而連成側移曲線，此時的曲線應具有反S形且接近于直線。位移曲線在剛度較均勻時是連續光滑的，沒有突然的凹凸變化和折點。通過以上可以驗證剪力墻的數量和設置位置的合理性。

6 結語

我們可以根據上述的原則在框架剪力墻結構中做出比較合理的剪力墻布置，確定出布置方式及數量，并盡量滿足建筑平面布置等項的要求。

參考文獻：

[1]彭偉.高層建筑結構設計原理[M].成都科技大學出版社.