框架剪力墻的結構特點及實際工程應用

張 俊 文

(山西省建筑設計研究院,山西 太原 030013)

框架剪力墻的結構特點及實際工程應用

張 俊 文

(山西省建筑設計研究院,山西 太原 030013)

介紹了框架剪力墻的變形特點、受力特點、截面設計與構造要求，并結合具體工程實例，對框架結構與框架剪力墻結構的抗震等級、周期比、總質量等進行了對比分析，指出了框架剪力墻結構的優勢。

框架剪力墻，結構特點，受力特點，抗震等級

0 引言

隨著經濟的發展，公共建筑的需求大大增加，在公共建筑的使用過程中，框架剪力墻結構既可以像框架結構一樣,根據使用功能靈活布置房間,開拓出較大空間；又可以擁有剪力墻結構剛度大、變形小的優勢而被廣泛的應用。本文就框架剪力墻的特點做一下總結，并通過一個工程實例來對框架結構和框架剪力墻結構進行一下簡單對比,來進一步闡述框架剪力墻結構的優勢。

1 框架剪力墻結構特點

1.1 框架剪力墻的變形特點

在風荷載和水平地震力作用下，框架結構以剪切型變形為主，結構下部位移變形大，而上部結構變形相對較小；剪力墻結構以彎曲型變形為主，結構位移變化與框架結構相反，下部變形小，上部變形大；而框架剪力墻結構體系通過平面構件(樓板及梁)的連接，在同一樓板處有相同的位移，結構下部變形小的剪力墻對框架進行約束，使框架的下部變形減小；而在結構上部，框架又對剪力墻提供約束，使剪力墻的側移變小，這就使得框架剪力墻結構的側移大大減小，變形介于框架和剪力墻之間，上、下層間變形更加均勻，呈彎剪型變形曲線。三種結構體系的變形曲線如圖1所示。

1.2 框架剪力墻的受力特點

框架力墻結構是通過樓板及梁在平面內無限剛的假定，讓豎向的框架柱以及剪力墻共同來抵抗水平力和豎向力。根據其變形特點，在結構的下部，剪力墻位移較小而框架位移較大，剪力墻除了承受大部分水平力外，還承受框架的拉力；而在結構上部，剪力墻的位移越來越大，而框架的位移變小，框架除了承受水平外荷載外，還額外負擔了把剪力拉回來的附加水平力，所以在頂部框架中也出現相當大的剪力。由于框架和剪力墻在整體結構中的協同工作，框架與剪力墻兩者之間剪力傳遞特別重要，這就要求樓面和屋面的整體性要好，通過樓面體系來傳遞剪力。

1.3 框架剪力墻的抗震性能

框架剪力墻結構在小震作用下，水平力主要由剪力墻承擔；在中震下由兩者共同承擔；而在大震下具有雙重抗震防線，剪力墻達到承載力極限開裂為第一重防線，剪力墻破壞后，框架可保持結構穩定及防止結構倒塌為第二重防線；在變形方面，框架具有良好的變形能力，為延性結構，而剪力墻剛度大，延性相對較弱，將兩者結合既具有框架良好的延性，又具有剪力墻較好的剛度，是一種非常良好的結構體系。

1.4 框架剪力墻的截面設計與構造要求

框架剪力墻結構應具有雙向抗側力體系，在整個受力體系中，框架梁柱的截面選取及構造要求需滿足純框架的設計要求，剪力墻墻體的厚度及構造要求需滿足純剪力墻結構的設計規定。

1)剪力墻的布置原則：“均勻、分散、對稱、周邊”。

剪力墻應優先布在建筑物的周邊、樓梯間、電梯間；當平面凹凸較大時，優先布在凸出部分的端部附近，且剪力墻布置應與各主軸方向的側向剛度接近；剪力墻宜貫通建筑物的全高，避免剛度突變；剪力墻宜組成L形、T形和槽形等形式，避免采用一字剪力墻，一字剪力墻底部承擔的水平剪力不應該太大，當超過結構底部總水平剪力的40%時，應進行調整，盡可能的使各段墻體受力均勻，使其受力控制在40%以內；剪力墻的間距應滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》表8.1.8條要求。即房屋縱、橫向區段較長時，縱(橫)向剪力墻不宜集中布置在房屋的兩盡端。

2)抗震等級的確定。

在實際工程設計中,由于建筑物的體型不同、剪力墻的布置數量及剪力墻的布置位置的不同，在規定水平力作用下，框架和剪力墻在結構的底層(上部結構的嵌固層)所承受的地震傾覆力矩不同，設計中根據結構總地震傾覆力矩在框架和剪力墻所占的比例來確定框架剪力墻結構中框架和剪力墻的抗震等級。因框架剪力墻結構水平地震力主要由剪力墻承擔，設計的理想狀態應該是超過結構總地震傾覆力矩的50%由剪力墻承擔；當結構總地震傾覆力矩的50%～90%由剪力墻承擔時，此種結構為真正的框架剪力墻結構，框架和剪力墻的抗震等級按規范要求的框架剪力墻結構確定；當總地震傾覆力矩的90%以上由剪力墻承擔時，框架在這種結構體系中受到的水平力已經微乎其微，可以忽略不計，結構體系的受力更接近純剪力墻結構，剪力墻的抗震等級按剪力墻結構的抗震等級確定，框架的抗震等級按規范要求的框架剪力墻結構確定；當剪力墻承擔小于結構總地震傾覆力矩的50%時，隨著剪力墻承受的地震傾覆力矩的逐漸減小，整個結構體系的受力逐漸傾向于框架結構；當結構總地震傾覆力矩的20%～50%由剪力墻來承擔時，此時的結構高度應該控制在框架剪力墻結構體系規范所允許的高度與框架結構體系所允許的高度之間，框架的抗震等級按框架結構選用，剪力墻的抗震等級按規范要求的框架剪力墻結構確定；當總地震傾覆力矩20%以下由剪力墻來承擔時，此種體系屬于少墻的框架剪力墻結構，結構受力同框架結構非常相似，結構高度按框架結構確定，剪力墻的抗震等級按框架剪力墻結構確定，框架的抗震等級按規范要求的純框架結構確定，此種結構體系在實際工程中不建議采用，若要采用，需與框架剪力墻結構和去掉剪力墻的框架結構符合，框架配筋采用兩種結構體系計算結果的較大者。

3)框架總剪力的調整。

抗震設計時，框架剪力墻結構對應于地震作用標準值的各層框架，總剪力的調整應按《高層建筑混凝土結構技術規程》第8.1.4條來調整。

2 工程實例(為方便比較采用低層建筑做對比)

2.1 設計條件

本工程為太原市某大學設計使用年限為50年的一教學樓，地下1層，地上6層，房屋總高度為22.200 m，層高均為3.600 m,室內外高差為0.6 m。建筑結構安全等級二級，抗震設防類別為丙類，基本風壓：Wo=0.40 kN/m2，基本雪壓：W1=0.35 kN/m2，抗震設防烈度：8度，設計基本地震加速度值為0.2g，地震分組為第1組。地質條件良好，建筑場地類別為Ⅲ類，采用天然地基可滿足設計要求，地下室頂板可滿足上部結構嵌固要求。為方便比較，兩種結構樓面荷載及梁荷載取值相同，豎向構件混凝土均采用C40，梁、板混凝土均采用C30。

2.2 按框架剪力墻結構設計

根據《建筑抗震設計規范》第6.1.2條規定，框架剪力墻結構，剪力墻的抗震等級為二級，框架的抗震等級為三級。結構布置如圖2所示。

剪力墻厚度：1層～3層外側剪力墻厚度為300，內側剪力墻厚度250；4層～6層剪力墻厚度均為200。

2.3 按框架結構設計

根據《建筑抗震設計規范》第6.1.2條規定，框架結構框架的抗震等級為二級。梁柱的布置方式同框架剪力墻結構。

2.4 兩種結構的計算結果

1)構件截面對比(見表1)。

表1 構件截面對比表

由表1可以看出，框架剪力墻結構中柱截面遠小于框架結構中的柱截面，框架梁也有一定程度的降低，可有效的提高建筑的有效空間。

2)周期比(見表2)。

表2 兩種結構的周期對比表

由表2可以看出，框架結構的周期要比框架剪力墻的周期長好多，框架結構更柔。

3)總質量(見表3)。

表3 兩種結構的總質量對比表 t

4)層間位移角(見表4)。

表4 兩種結構的層間位移角對比表

通過以上結果對比可以看出，在滿足規范要求的前提下，框架剪力墻結構柱截面可以大大減小，框架梁也可以減小，框架剪力墻體系在空間有效利用方面具有一定的優勢；框架剪力墻的周期更短，層間變形更小。另外在配筋對比方面，框架剪力墻結構耗鋼量較小。通過綜合比較，本工程最終采用框架剪力墻結構體系，現已投入使用，使用效果良好，得到了業主及社會各界的好評。

3 結語

框架剪力墻結構由于自身的特點，在公共建筑方面可以很好的滿足建筑使用要求，受到了廣大工程師的廣泛使用。當然，每一種結構體系都不是萬能的，都有其適用范圍，在結構設計時，要根據工程的特點，結合建筑使用及現場實際情況，經多方比較，選用更合理、更經濟的結構體系。

[1] GB 50010—2010,混凝土結構設計規范[S].

[2] JGJ 3—2010,高層混凝土結構技術規程[S].

[3] GB 50011—2010,建筑抗震設計規范[S].

On structural features of frame-shear wall and its application in projects

Zhang Junwen

(ShanxiArchitecturalDesignInstitute,Taiyuan030013,China)

The paper introduces the deformation features, stressed characteristics, section design and component requirements of the frame-shear walls, combining with project example, compares and analyzes the seismic grades, period ratio, and gross mass between the framework and frame-shear wall structures, and points out the advantages of the latter.

frame-shear wall, structural feature, stressed features, seismic grade

2015-05-25

張俊文(1978- ),男,工程師

1009-6825(2015)22-0044-02

TU398.2

A