談框架剪力墻中剪力墻的布置

喬婷婷 閆 園

1 概述

框架—剪力墻(框剪結構)結構是在國內外比較常用的一種高層結構，廣泛應用于辦公樓和公共建筑，也多用于高層住宅和旅館。其框架部分能構成自由靈活的使用空間，滿足不同的建筑使用功能，而剪力墻部分具有足夠大的剛度，在抗震和抗水平荷載方面有突出的貢獻，大大減小了結構本身的側移，因此在現代建筑中得到廣泛的應用。

2 框剪結構體系

框剪結構是由剪力墻結構和框架結構混合組成的，就其組合而言，有兩種結構體系，一種是剪力墻與框架之間通過樓蓋屋蓋連系，此時樓屋蓋相當于一個剛性水平鏈桿，將同一層中的框架結構和剪力墻結構連系起來，在不計扭轉影響的情況下強迫使這兩種水平荷載下側移變形性質截然不同的結構具有層層水平位移相同的側移變形，此即為鉸接框剪結構。另一種是剪力墻與框架之間除通過樓屋蓋連系外，部分剪力墻與部分框架柱之間尚有具有一定抗彎剛度的連梁連系，使得結構具有更大的側移剛度，這種結構體系稱為剛接框剪結構。目前，工程中為滿足剛度需求一般選用剛接框剪結構。

剪力墻結構的變形為彎曲型，上部層間相對變形大，下部層間相對變形小，隨樓層的增加總側移和層間側移增長加快。框架結構的變形是剪切型，上部層間相對變形小，下部層間相對變形大，隨樓層的增加，總側移和層架側移增加減慢。對于框剪結構，由于兩種結構協同工作變形協調，形成了彎剪變形，剪力墻下部變形將增大，框架下部變形卻減小了，這使得下部剪力墻擔負更多剪力，而框架下部擔負的剪力較小。在上部，情形正好相反，剪力墻變形減小，因而卸載，框架上部變形加大，擔負的剪力將增大，因此，框架上部和下部所受的剪力趨于均勻化。從而減小了結構的層間相對位移比和頂點位移比，使結構的側向剛度得到了提高。

3 剪力墻的布置原則

1)平面布置。

剪力墻結構中全部豎向荷載和水平力都由鋼筋混凝土墻承受，所以剪力墻應沿平面主要軸線方向布置。

a.矩形、L形、T形平面時，剪力墻沿兩個正交的主軸方向布置;

b.三角形及Y形平面可沿三個方向布置;

c.正多邊形、圓形和弧形平面，則可沿徑向及環向布置。

2)單片剪力墻的長度不宜過大。

a.長度很大的剪力墻，剛度很大將使結構的周期過短，地震力太大不經濟;

b.剪力墻處于受彎工作狀態時，才能有足夠的延性，故剪力墻應當是高細的，如果剪力墻太長時，將形成低寬剪力墻，就會有受剪破壞，剪力墻呈脆性，不利于抗震。故同一軸線上的連續剪力墻過長時，應用樓板或小連梁分成若干個墻段，每個墻段的高寬比應不小于2。每個墻段可以是單片墻，小開口墻或聯肢墻。每個墻肢的寬度不宜大于8.0 m，以保證墻肢是由受彎承載力控制，和充分發揮豎向分布筋的作用。內力計算時，墻段之間的樓板或弱連梁不考慮其作用，每個墻段作為一片獨立剪力墻計算。

4 剪力墻數量的確定

剪力墻布置的多一點則剛度較大，框架布置的多則柔度大。根據歷年的震害調查研究，隨著剪力墻數量的增加震害減少。那究竟應該怎樣合理布置剪力墻的數量。

1)根據平均壓力即樓層以上重量除以樓層剪力墻和框架柱的截面面積，反應了層數、重量及結構截面面積的關系，根據經驗，當平均壓力小于1.2 MPa時震害小。

2)以剪力墻截面長度表示的剪力墻壁率(壁率=某一方向上剪力墻水平截面總長/建筑面積)。經驗表明，當壁率大于5 cm/m2時震害最小，對抗震構造措施合理的取低值，反之取高值。

3)可以用框剪結構的剛度特征值λ(即框架抗推剛度和剪力墻抗彎剛度的比值)來計算確定剪力墻的數量，且計算結果比較精確。

其中，Cf=∑Cfi為總框架的剪切剛度，可由柱的抗側剛度D值計算，Cfi=h∑Di;Cb=∑Cbi為連梁的附加等效剪切剛度;EIw=∑EIwi為總剪力墻的剛度。

λ值的變化，表示兩種不同變形性質的結構的相對數量，對框架剪力墻的受力和變形性能影響很大，當框架抗推剛度很小時，λ值較小;λ=0時即純剪力墻結構。當剪力墻抗彎剛度減小時，λ值增大;λ=∞時即相當于純框架結構。

計算時取 EIw=H2(Cf+Cb)/λ2，此時 λ 取值宜為1.15≤λ≤2.4，下限值是為了使剪力墻剛度不致過大，上限值是為了滿足剪力墻承受的地震力傾覆力矩不小于結構總地震傾覆力矩的50%，樓層剪力一般在0.5H～0.6H處最大，故假定0.5H～0.6H處樓層剪力墻的基本厚度bw和混凝土強度等級后，便可按下式進行初算每個方向上需要的剪力墻長度

其中系數ψ是考慮組合剪力墻(L形，[形，工形，口形)的綜合剛度大于將其某向高度疊加而得到的一字形剪力墻剛度，而設置的折減系數;按翼緣寬為7bw的工形墻肢計算得到的腹板高度作為需要布置的墻肢總長度與按一字形計算得到的剪力墻長度比約為0.7 ～0.9，工程初步設計時可取 ψ =0.85。

4)可以用結構自振周期校核，截面尺寸，結構布置和剪力墻數量合理的框架剪力墻結構的結構自振周期大約可用公式T=(0.06～0.08)N 表示(N 為樓層數)。

5 工程實例

建立一個6層鋼筋混凝土框剪結構模型，層高為1層4.5 m，2層～6層3.0 m;設防烈度為7度(0.10g)，Ⅱ類場地;軸網尺寸見圖1;柱子 500×500;主梁 250×450，250×500;次梁 250×1000;連梁250×1000;混凝土C30;剪力墻250。

圖1 某框剪結構平面圖

根據剪力墻的布置原則以及用剛度特征值計算得出在結構周邊均勻、對稱的布置共12面剪力墻，其中3號剪力墻開洞1000 mm寬，用Midas軟件分析。

得到結構周期如表1所示。

表1 結構自振周期

利用結構自振周期復核剪力墻的數量和布置，T=(0.06～0.08)N=0.36 s～0.48 s，第一模態周期為0.361703，說明剪力墻的布置是合理的。

6 結語

1)框架剪力墻結構在剪力墻和框架結構的協同作用下，側移剛度得到了提高，使用功能和抗側移能力都有了很大的改善。

2)剪力墻的布置要遵循相應的原則，在布置合理的前提下，剪力墻的數量可用平均應力或壁率進行初估并用結構特征值進行精確計算，最后用結構自振周期來復核。

[1]傅學怡.實用高層建筑結構設計[M].第2版.北京:中國建筑工業出版社，2010.

[2]郭任俊.高層建筑框架:剪力墻結構設計[M].北京:中國建筑工業出版社，2004.

[3]魏忠澤，秦桂娟.框剪結構體系中剪力墻的合理數量[J].沈陽建筑工程學院學報，1996(2):48-50.