高層建筑框架—剪力墻結構的抗震受力分析

王娜1 林孝和2

1.浙江建院建筑規劃設計院 310000；2.中國聯合工程公司 310000

摘要：框架剪力墻結構亦被稱為框剪結構，它對豎向布置繁雜或平面、水平荷載較大的高層建筑十分適用。框架剪力墻的性價比較高，因此在國內有很廣泛的應用。本文主要分析了高層框架結構在抗震設計中應用。

關鍵詞：高層建筑；框架；剪力墻結構

引言

框架剪力墻結構由于兼備框架和剪力墻的特征，在高層建筑中得到了廣泛應用。如何提高框剪結構的抗震性能，也成為建筑領域的研究重點，其焦點就是如何將剪力墻與框架結構的形變特征和諧起來，使得建筑在地震中體現出框架和剪力墻的結構優勢，抵抗地震產生的破壞。

1、框架剪力墻抗力特性

1.1 框架和剪力墻的受力特征

高層建筑框架結構的形變，呈現出來的往往是剪切型的特征，位移越高其變化越慢，曲線形式為開口型，即形變曲線為剪切型。純框架結構的建筑中期形變曲線都是類似的。所以，水平的受力會按照各個框架的抗推剛度D比例分配。而剪力墻的位移曲線所呈現的是懸臂彎曲梁的特征，位移越高其增大的速度越快，呈現出來的是彎形開口的曲線。在平面范圍內具備很大的抗彎曲強度，在普通的剪力墻結構中，所有抗側力的建筑構件受力側移的曲線均相似，即水平的力在各個剪力墻之間按照等效的剛度EI來分配。

1.2 框架剪力墻的受力特征

在框架-剪力墻建筑結構中，通過平面內無限大剛度的樓蓋將框架和剪力墻連接在一起，使其形成了一個網絡結構，共同抵抗水平向的側應力，不會單獨受到各種彎曲變形或者剪切變形的影響，框架剪力墻在同一個樓層的位移是基本相同的。因此，框架剪力墻結構在水平面內的位移呈現出來的特征是介于框架與剪力墻之間的形態，為反S型的曲線，即彎剪型。所以，在框架-剪力墻結構中，剪力墻在下部的層面形變較小，承擔80%以上的水平向剪力，而在高層建筑的上部，框架結構的形變較小，可以協助剪力墻進行作用，抵抗剪力墻的外拉式的形變，從而承受更大的水平剪切力。可見，框架剪力墻結構實際上就是綜合了框架和剪力墻這兩種結構的優勢，有效地協調了水平的形變，從而達到減小結構性形變的效果，增強了結構的側向剛度，提高了建筑的抗震能力，在高層建筑的結構設計中適用性較好。

2、高層框剪結構抗震設計的技術要點

2.1 提高剪力墻的抗震能力

（1）在設計過程中，在剪力墻的周圍增加梁柱結構，形成邊框剪力墻。這樣可阻止斜向的裂縫不會向鄰近的結構擴展，也可以在剪力墻遭到破壞后代替其承載。這里增加的邊框結構應具備斜截面的承載能力，以抵抗剪力墻開裂后對梁柱施加的附加剪應力。

（2）合理的肢墻面積。這種方法的思路是將肢墻的面積變小，利用結構形式使其形成多肢墻或者雙肢墻，可以控制裂縫和屈服部位出現在結構豎縫和洞口的連梁位置，形成一個耗能的結構。而且這樣的剪力墻可以降低剛度，避免在地震時發生剪切破壞和底部墻體過早屈服。

2.2 改善框架的抗震能力

（1）對框架結構的角柱進行強化。角柱是連接橫縱框架的關鍵，要增加框架結構的整體性，就需要增強角柱的抗剪能力。

（2）在外圍框架的平面內設計一定數量的鋼筋混凝土剪力墻墻板，這樣可以有效地克服框架的剪力滯后的情況，提高框架結構的整體性和抵抗推力的剛度，減少整體結構的側向移動，特別是層間的位移，其形式為K或者X型。但是，應注意這樣的結果是延性較差，如果在墻板上適當地設計十字開口，人為地使之出現結構薄弱部位，形成延性的耗能墻板，則更加有效。

（3）在結構中增加偏交斜撐等贅余構件，用彎曲耗能的形式代替軸變的耗能形式，其中折曲支撐可以利用鋼纖維混凝土桿來制造，偏心連接支撐一般采用鋼桿或者勁性鋼筋混凝土桿構成。在強烈的地震中，一方面可以利用這些贅余的桿件來實現先行屈服和形變消耗地震能量；另一方面，當這些贅余構件因為形變而失去作用后，整體結構會發生穩定體系的變化，而誘發建筑自振周期的改變，可以避免地震造成的建筑物的共振效應。

2.3 改善整體抗震能力

（1）設計中采用機構控制達成總體屈服效果。在框剪結構中的特定位置，設置一定數量的“塑性鉸”，實現對塑性鉸發生位置、次序、形變程度的控制，使結構在地震時形成較好的耗能機構。在水平向力的作用中，水平的構件首先屈服，然后才是豎向構件。

（2）平衡結構剛度和承載能力。在框架-剪力墻結構中，剪力墻的數量增多，體積增大，剛度也會隨之增加。但是，這就會使結構的自振周期變小，總體水平地震作用加大；反之，結構的剛度就會減小，地震力作用也就變小。因此，在設計過程中，應當根據建筑的基本情況來綜合考量，將建筑的設防烈度、高度、裝修等級等內容考量在內，以確定結構允許的位移的最大限值，從而確定剪力墻的數量和體積，保證經濟和安全并重。

（3）剛度與延性的和諧統一。框架與剪力墻結構在剛度和彈性限值、延性系數等方面都存在著一定的差異，這就給框剪結構抗震性能的提升制造了難題。理論上，框剪結構會出現各個構件不能協調性發揮作用，而出現先后破壞、各個擊破的情況，這就大大降低了結構中各個構件的有效性和抗震的可靠程度。所以，在設計中應將各個構件協調起來，使剛度與延性和諧統一，以此保證建筑的抗震需求。

3、結語

框架-剪力墻結構之所以在建筑中得到了廣泛應用，就是因為其結構的互補性。合理的設計可以使其突出框架和剪力墻的結構優勢，提高高層建筑的抗震能力，而設計的關鍵則是剪力墻數量和形式的使用。因此，在實際的設計中，應遵循結構均勻、承載分散、把握節點等原則，來確定框架和剪力墻的使用比例和形式，以此來保證框剪結構在高層建筑抗震中起到應有的作用。

參考文獻：

[1]孫雪蘭.淺談高層剪力墻結構的優化設計[ J].山西建筑2010，36（24）：58-59.

[2]張瑞文.框架-剪力墻高層建筑結構優化設計研究[J].山西建筑，2010，36（1）：78-79.

[3]王艷軍.高層建筑剪力墻結構優化設計淺析[J].山西建筑，2010，36（5）：73-74.

[4]王傳甲，胡守營，陳志強，等.某高層框架剪力墻結構抗