探析高層建筑框架剪力墻結構設計

向永強

【摘 要】 隨著國家經濟的不斷進步以及城市化建設的不斷發展，我國高層建筑施工建設取得了重大進步。框架剪力墻結構作為高層建筑結構施工的重要環節，直接影響到高層建筑結構施工質量以及效益。尤其是近幾年，框架剪力墻結構早已廣泛的運用到現代高層商業、辦公以及住宅建筑的設計當中。新時期新背景下加強對于高層建筑框架剪力墻結構設計的研究有著重要的現實意義。本文旨在研究高層建筑框架剪力墻結構設計問題，針對出現的問題提出相應的解決策略，為我國高層建筑施工企業在框架剪力墻結構設計方面的進一步開展提供一些可行性的思路。

【關鍵詞】 高層建筑；框架剪力墻；結構設計；策略探析

在高層框剪結構中，剪力墻是主要抗側力構件，幾乎承擔了80%的水平地震作用，剪力墻剛度的大小將直接影響到結構的安全性。在結構設計時，框剪結構中剪力墻的數量，除了必須滿足強度條件外，還必須使結構具有一定的側向剛度，以免在地震作用下產生過大的側向變形。剪力墻配置過少，會因結構產生過大的變形而無法滿足安全要求；剪力墻配置太多，又減少了結構自振周期，地震作用效應增大。所以，確定剪力墻數量是關系結構安全和技術經濟最為關鍵的問題。本文主要研究高層建筑框架剪力墻結構設計問題，為我國高層建筑施工企業在框架剪力墻結構設計方面的進一步開展提供借鑒。

一、 剪力墻的分類及受力特點

剪力墻根據不同的分類標準，例如剪力墻開洞口大小、數量以及位置等，可以分為壁式框架、整體小開口墻、整截面墻、獨立懸臂墻以及聯肢墻等這五大類型。對于這五種類型的判斷，理論上可以通過墻肢與組合截面慣性矩比、剪力墻整體系數以及脂墻系數等來判斷，剪力墻整體系數是墻肢以及連梁的抗彎線剛度值，它的物理意義表現為，數值越小，梁越弱肢越強，數值越大，梁越強肢越弱。一般來講，梁越強肢越弱的狀況剪力墻的整體性能也就越好，連梁與墻肢的彎矩也就越大。對于梁越弱肢越強這類現象，還可以細分為兩種情況。一種是墻肢強，但是梁要比肢更強，另一種是墻肢弱梁要比肢還要強，這才是真正的弱肢強梁。因此，在對剪力墻進行分類時，應該按照截面慣性矩比以及肢強系數進行判斷。用數據來表示，當剪力墻整體系數大于10，截面慣性矩比小于脂墻系數時，大體上可以判定為整截面墻；當剪力墻整體系數大于10，剪力墻整體系數大于脂墻系數時，一般認定為壁式框架；當滿足截面慣性矩比小于脂墻系數，剪力墻整體系數小于10時，則可以判定為聯肢墻；但是，當剪力墻整體系數小于1時，基本上可以斷定為獨臂墻。這幾種剪力墻他們的受力特點是不同的。

總體上來講，整體小開口墻以及整截面墻的整體性能較好，它們的受力性在一定程度上有些相似，例如它們的變形曲線都是彎曲型，它們的區別也是很明顯的，主要區別在于整截面墻它的墻面不開洞，不出現反彎點，彎矩一般不會出現突變。整體小開口墻以及整截面墻對于墻肢的約束力很強，都屬于那種脂墻梁更強的情況。例如，以L型對稱剪力墻為例分析，L型對稱剪力墻墻長1800mm，墻厚220mm，翼緣寬為420mm，16層，連梁凈垮為1.3m，當梁的高度擴大到1200mm時，才可以基本滿足剪力墻整體系數為10的要求。從這一系列的數據中我們可以看出，整體小開口墻以及整截面墻確實屬于肢強梁更強的類型。

二、 框架一剪力墻結構中剪力墻設計

1、剪力墻布置

剪力墻的布置是有著一定的基本原則的，一般是周邊、對稱、分散以及均勻。首先，周邊的原則。周邊的原則指的是剪力墻設計以及布置應該充分考慮建筑物抵抗扭曲的能力，這樣可以進一步保證平面中心以及剛度中心相吻合。例如，剪力墻布置在周邊對稱的位置，可以在不增加剪力墻面積的基礎上增強剪力墻抗扭曲的能力，增強抗扭曲的內力臂。其次，分散原則。分散原則主要指的是剪力墻在進行布置時，應該注意剪力墻的墻片數不應該過少，而且要努力保證剪力墻的剛度，連續尺寸方面也不要太長，這樣可以使得剪力墻分散一些，抗側力構件數量多一些。這樣，可以防止由于一片剪力墻局面破壞而導致剪力墻的整體抗扭曲力。同時，分散原則也有助于避免剪力墻受力過于集中，避免由于剪力墻負擔過重而導致早期地面遭到破壞，對于剪力墻的整體發展極為不利。

2、確定剪力墻厚度

剪力墻厚度同樣也是剪力墻設計中應該注意的關鍵問題。在框架剪力墻結構中，剪力墻最好有約束構建，也即是邊框梁以及邊框柱。剪力墻厚度都是有一定的規格的，在抗震設計時，一二級剪力墻底部厚度應該在220mm之上，而且一般要大于層高的十六分之一。對于其他情況，一二級剪力墻底部厚度不應該小于層高的二十分之一。同時，剪力墻厚度確定時，應該注意邊框梁的寬度應該同剪力墻的厚度相一致，高度方面可以使墻厚的3倍。所以，要想獲得科學合理的剪力墻厚度，應該充分的考慮結構安全以及經濟合理等方面的要求。綜合考慮到各種各因素，剪力墻的厚度應該在滿足樓層高度二十分之一以及十六分之一的前提下，取值200mm最為合適。

3、確定剪力墻數量

剪力墻數量同樣也是剪力墻設計中應該注意的關鍵問題，一般來講，剪力墻數量主要是由許可位移決定的。按照高層建筑中一般裝修的要求，框架剪力墻結構高應該是頂點位移的700倍，對于裝修要求較高的，框架剪力墻結構高應該控制在頂點位移的850倍之內，在滿足這些數據的前提下，進而進行增減剪力墻數量。同時，剪力墻數量還應該滿足結構自振周期的要求。結構自振周期的合理范圍計算方法如下：T1=（0.09-0.12）Ns。其中，Ns則指的是樓層的高度。為此，在進行剪力墻數量確定時，應該嚴格按照結構自振周期的合理范圍計算方法進行。如果剪力墻數量多，框架剪力墻結構剛度就可以大一些，材料耗量也大一些，地震時周期短地震力度也應該加大些。據有關調查表明，當每m2樓面剪力強度小于50mm時，地震危害也就越大；在50mm-150mm之間，地震危害為中等水平；在150mm以上的話，地震危害則最輕。我國在每m2樓面剪力強度值取值方面還沒有形成成熟的經驗，在進行剪力墻數量確定時，我國的做法往往是根據建筑物的高度、工程具體情況、地區設防烈度以及其他參考系數進行。這中剪力墻數量確定方式盡管存在著一些問題，但是由于我國在這方面積累了豐富的經驗，剪力墻數量確定也是極為可取的。

總結

綜上所述，在進行高層建筑框架剪力墻結構設計時，結構平面布置必須考慮有利于抵抗水平和豎向荷載，力爭均勻對稱，結構豎向布置則必須做到結構的承載力和剛度宜自下而上逐漸減小，變化均勻。在此前提下，確定結構構件的合理截面尺寸，選擇合適的計算軟件進行計算分析，這樣才能得到可靠、合理計算結果，為框架剪力墻結構設計打下良好的基礎。我國高層建筑施工企業在框架剪力墻結構設計方面積累了豐富的經驗，但是在實際的框架剪力墻結構設計中，很多問題仍然存在。為此，深入研究高層建筑框架剪力墻結構設計問題，為我國高層建筑施工企業在框架剪力墻結構設計方面的進一步發展，有著重要的意義。

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