高層住宅框架-剪力墻結構設計要點初探

■向小平 ■黃石市城市規劃設計研究院，湖北 黃石 435000

1 工程概況

某高層住宅建筑整體建筑面積58351m2，包括32層塔式建筑和18層板式建筑，基礎形式采用樁筏基礎，結構形式為框架-剪力墻。在建筑中，地下1層為停車場，地上3層為店鋪和商場，4層以上則為住宅。為了保證建筑的穩定性和安全性，在工程設計規劃階段，由專業的規劃設計院對建筑的結構進行了設計，這里對其設計要點進行簡單分析和討論。

2 框架——剪力墻的結構特點

該高層住宅建筑中，采用的是框架-剪力墻的結構形式，這種結構也稱框剪結構，是指在框架結構中，布置一定數量的剪力墻，由這些剪力墻構成靈活自由的使用空間，以滿足不同建筑功能的要求。同時，由于剪力墻的數量足夠，因此這種結構形式具有相當大的剛度，可以說綜合了框架結構和剪力墻結構的特性，在結構布置合理的情況下，可以充分發揮兩者的優點，克服其中存在的缺陷，對于建筑結構的抗震性能有著良好的提升，因此在實際工程中，框架-剪力墻結構得到了非常廣泛的應用。在對框架-剪力墻結構中的剪力墻進行布置時，需要嚴格遵循“均勻、分散、對稱、周邊”的基本原則，做到以下幾點:

(1)剪力墻應該均勻布置在建筑周邊附近，以確保其抗扭作用的充分發揮。同時，在樓梯間、平面形狀變化大或者恒載較大的位置，設置剪力墻，可以保證樓蓋與剪力墻之間的剪力傳遞。

(2)在高層建筑中，平面形狀凹凸較大的部位，是結構的薄弱環節，應該在凸出部分的端部附近，布置相應的剪力墻，對結構進行加強。

(3)對于縱向和橫向剪力墻，應該采取相應的措施，將其連接在一起，或者設計成為帶邊框的剪力墻，共同組成L形、T形或者口字型，以增大剪力墻的剛度和抗扭轉能力。

(4)樓梯間、電梯間、電井等豎井的設置，應該盡可能與附近的框架或者剪力墻相互結合，形成一個整體的、連續性的抗側力結構，而不能獨立布置。

3 高層住宅框架——剪力墻結構設計要點

在對高層住宅框架-剪力墻進行結構設計時，其設計要點主要包括以下幾個方面的內容:

(1)結構布置。在高層住宅的框架-剪力墻結構中，剪力墻與普通剪力墻結構相比存在一定的差異。下部樓層中，剪力墻的位移較小，因此，可以拉著框架按照彎曲型曲線變形，由剪力墻承受大部分水平力;而在上部樓層，剪力墻的位移會越來越大，并且呈現出外側的趨勢，因此，框架趨于內收，拉著剪力墻按照剪切型曲線變形。框架除了負擔外負荷產生的水平力，還需要負擔拉動剪力墻的附加水平力，而剪力墻不會承受任何的荷載水平力，還因為給框架一個附加水平力，而承受負剪力。因此，在上部樓層，即使外荷載產生的樓層剪力很小，框架中也會出現相當大的剪力。作為主要的抗側力構件，剪力墻在結構中的作用是非常巨大的，如果在設計時，僅僅在一個主軸方向布設剪力墻，很可能造成兩個主軸方向抗側剛度的巨大的差異，在沒有設置剪力墻的主軸方向，會因為剛度不足，無法與另一個主軸方向相互協調，在振動作用下容易導致結構的扭轉破壞。因此，該工程設計中，在兩個主軸方向都布置了剪力墻，形成了雙向抗側力體系，可以有效減少層間側移。

(2)轉換層設計。在高層建筑中，如果存在轉換層，則建筑會呈現出不規則的復雜結構，如果不能對其進行有效處理，在地震作用下，很可能出現相應的損壞。因此，做好轉換層的設計對于建筑整體的抗震性能有著極其關鍵的作用。一般來說，轉換層的位置越高，則其上下層的剛度突變也就越大，結構內力傳遞的途徑也會發生極大的變化。同時，轉換層位置越高，落地剪力墻越容易出現彎曲裂縫，其上部的剪力墻也越容易遭到破壞。簡單來說，高層建筑中轉換層越高，對于建筑的抗震越不利。在該工程中，由于1-3層為商場，為了保證使用空間，需要盡量減少剪力墻的數量，這就給設計工作增加了難度。相關規范規定，如果轉換層設置在地面1層，可以近似采用轉換層上下結構的等效剪切剛度γ來表示轉換層上下結構的剛度變化，在設計過程中，要確保γ≤2。而如果轉換層設置在2層及以上，則γ≤1.3。對此，設計人員在設計過程中，采取了相應的對策:首先，結合相應的技術參數，在滿足層間位移的基礎上，盡可能減少轉換層上部剪力墻的數量，減少連梁的高度，同時適當增大剪力墻上洞口的尺寸，在保證其強度和承載能力的前提下，減少轉換層上部的剛度;其次，通過與建設方的協商，適當降低了1-3層商場的高度，以增加轉換層下部的剛度;然后，在不影響建筑凈空和建筑成本的前提下，適當增大了底部墻體的厚度，最終將墻體厚度確定在:1層450mm，二層400mm，三層350mm，四層以上200mm。

(3)相關參數計算。在對建筑的相關參數進行計算時，采用了由中國建筑科學研究院編制的SATWE程序，將上部結構與地下室作為一個統一的整體來計算。結合該工程的相關技術參數，經計算得出，在該工程中，最大樓層層間相對位移比為1/1972，遠遠小于相關規定中不大于1/800的標準。同時，剪重比與等效質量系數的計算結果顯示，X、Y方向最小剪重比大于1.6%，X、Y方向各自的有效質量系數均大于90%，滿足相關規范的要求。由于在該建筑中，首層框架所承受的剪力值相對較小，因此，應該對其進行適當調整，取0.2Q0與1.5Vfmax中較小的數值作為框架的總剪力值。另外，轉換層上下等效側向剛度比γ的值，X向取0.48，Y向取0.36，均小于標準值1.3，可以滿足相關規定的要求。最后，還需要對結構整體的穩定性進行驗算，其中，

X向剛重比EJd/GH＊＊2=5.21

Y向剛重比EJd/GH＊＊2=3.64

由計算結果，該結構剛重比大于1.4，可以通過相關規定的整體穩定驗算。

4 結語

總之，在城市化進程不斷加快的現在，高層住宅的數量越來越多，其結構的穩定性和安全性也受到了社會各界的廣泛關注。作為高層住宅中被廣泛應用的結構形式，框架——剪力墻結構在建筑中發揮著非常關鍵的作用，需要引起設計人員的充分重視，切實做好框架——剪力墻結構的設計工作，提升高層建筑的穩定性和可靠性，促進我國建筑行業的持續健康發展。

［1］安興寬.高層住宅框架剪力墻結構設計分析［J］.山西建筑，2012，38(1):37-39.

［2］彭祥新.高層住宅框架-剪力墻結構設計與分析［D］.安徽建筑工業學院，2011.