鋼筋混凝土框架—剪力墻設計中的若干問題

杜建強

摘要：隨著高層建筑的爆發式增長，對鋼筋混凝土框架—剪力墻結構進行合理選型和優化布置，對于降低建設成本具有指導意義。由于早期對結構研究不夠深入，對力學性能掌握不夠深刻，以至于對剪力墻不能做出一個合理經濟的布置方案，因此對高層剪力墻結構進行設計很有必要。

關鍵詞：鋼筋混凝土；框架結構；剪力墻設計；問題

1鋼筋混凝土框架—剪力墻結構分析

1.1鋼筋混凝土框架—剪結構協同工作原理

在鋼筋混凝土框架結構中設置一些剪力墻，來增強結構的抗側移能力，使框架和剪力墻共同承擔豎向荷載和水平荷載，即為鋼筋混凝土框架—剪力墻結構。鋼筋混凝土框架—剪力墻結構體系從受力及變形特點來分析，在水平力作用下，剪力墻的變形曲線為彎曲型，其水平側移量主要取決于所受彎矩的大小，剪力墻側移量隨高度增加而增大，且越往上增加越快；鋼筋混凝土框架的變形曲線為剪切型，其水平側移量跟各樓層受到的剪力有關，越往上側移量增加越慢。由于剛性樓板的作用，使得框架和剪力墻協同工作，在水平荷載作用下，這種變形協調使得兩個結構之間產生相互作用力。鋼筋混凝土框架—剪各樓層剪力的分配是隨樓層所處高度的不同而不同。在樓層底部，因為框架位移較大，而剪力墻位移小，它限制了框架的變形，剪力墻承擔了大部分剪力，則使兩者之間產生壓力；在樓層頂部，剪力墻位移較大，而框架的位移逐漸變小，使得兩者之間產生拉力，所以框架除了要承擔自身受到的剪力外，還要承擔限制剪力墻變形的附加剪力。這就使得鋼筋混凝土框架—剪結構的底部變形要小于框架結構，而上部變形要小于剪力墻結構，最終使得層間位移沿建筑高度變化均勻，比單獨框架結構或剪力墻結構表現出更好的變形特性，而且改善了框架結構及剪力墻結構的抗震性能，也有利于減少小震作用下非結構構件的破壞。

1.2鋼筋混凝土框架—剪結構中剪力墻的布置

1.2.1剪力墻的布置要點

（1）剪力墻的布置要盡量對稱，保證結構的質量中心和剛度中心接近。（2）剪力墻應自下至上全部貫通，以使結構剛度連續而且均勻。（3）結構層數不多時，剪力墻可做成T形或L形；結構層數較多時，剪力墻應布置成井筒式。（4）剪力墻應盡量靠近結構外圍布置，可增強結構的抗扭剛度，但應注意溫度應力的影響。（5）為限制樓板在自身平面內產生過大的撓曲，對于間距超過規定限制的剪力墻，應在結構計算時考慮樓板變形的影響。（6）結構的平面形狀凹凸較明顯時，宜在凸出部分的端部布置剪力墻。（7）應布置3片以上剛度均勻的剪力墻，單片剪力墻底部承擔的水平剪力不宜超過總水平剪力的40%。（8）在長度較大的鋼筋混凝土框架中，剪力墻不宜集中布置在鋼筋混凝土框架的兩端，以避免由于鋼筋混凝土框架兩端的約束作用而造成樓屋蓋以及梁板開裂。（9）對于長度較大的剪力墻，宜設置洞口和連梁形成雙肢墻或多肢墻，鋼筋混凝土框架部分以承受結構總地震傾覆力矩的30%左右為宜，且不應大于50%。

1.2.2剪力墻結構優化設計的分類

（1）尺寸優化

對構件尺寸進行設計優化，即把結構的尺寸參數作為設計變量，所以用有限元分析結構的位移和內力時，不需要重新劃分網格。尺寸優化必須保證結構的形狀和拓撲保持不變，不能對結構整體做大幅度修改。雖然尺寸優化是優化設計中的最低層次，卻為進一步加深對結構優化設計理論的理解提供了依據。

（2）形狀優化

形狀優化的特征是，待求的設計變量是所研究問題的控制微分方程的定義區域，主要用來確定結構尺寸或邊界形狀，使結構特性得以改善。例如：應力集中往往會造成結構或構件的疲勞破壞、斷裂，而形狀優化是解決應力集中問題的有效途徑。形狀優化相比尺寸優化進展較緩慢，主要原因有：在優化過程中由于分析模型隨著結構的形狀而不斷變化，只能不斷地對有限元網格進行重新劃分，以及在優化過程中，結構性態、設計變量與單元剛度矩陣之間的非線性關系，使得形狀優化的計算量變得很大。盡管如此，形狀優化還是引起了許多專家學者的極大興趣。

（3）拓撲優化

在上文提到的尺寸優化和形狀優化，優化前后的結構為同一拓撲結構。如板上開有兩個孔洞，經過尺寸優化或形狀優化后，改變的只是孔洞的大小尺寸或邊界形狀，而孔洞數量沒有變化。實際可能存在這樣一種情況，即在同樣滿足約束條件的前提下，孔洞數量的改變比孔洞尺寸或形狀的改變更能有效的減輕板重。拓撲優化是在尺寸優化基礎上，重點確定節點間的連接方式。

2鋼筋混凝土框架—剪結構中剪力墻的位移和內力計算

2.1基本假定及計算模型

2.1.1基本假定

（1）樓板在自身平面內為剛度無限大，而在其平面外的剛度很小，可以忽略不計。這一點保證了樓板將鋼筋混凝土框架和剪力墻連成為一個整體，在水平力作用下，各抗側力單元之間不會產生相對位移。（2）對剪力墻，只考慮彎曲變形而不考慮剪切變形，對鋼筋混凝土框架只考慮剪切變形而不考慮彎曲變形。（3）忽略鋼筋混凝土框架柱和剪力墻的軸向變形與基礎轉動的影響。（4）剪力墻布置對稱均勻時，即結構的質量中心與剛度中心重合，因此忽略其扭轉影響。（5）結構的質量以及剛度沿高度均勻分布。根據以上基本假定，結構在水平荷載作用下，處于同一標高處的剪力墻與鋼筋混凝土框架的水平位移相同。

2.1.2計算模型

（1）鉸接體系

對于鋼筋混凝土框架—剪力墻鉸結體系，剪力墻與鋼筋混凝土框架在橫向僅通過樓板聯系。可將樓板視作剛性水平鏈桿，它將結構中的鋼筋混凝土框架和剪力墻連系起來，使兩種變形性質截然不同的結構具有了相同的側移變形。計算模型見圖1。

圖1鉸接體系計算模型

（2）剛接體系

對于鋼筋混凝土框架—剪力墻剛結體系，剪力墻與鋼筋混凝土框架之間不僅通過樓屋蓋聯系，部分剪力墻與鋼筋混凝土框架柱之間還通過具有一定抗彎剛度的連梁連系，這時的鋼筋混凝土框架—剪結構具有更大的抗側剛度。計算模型見圖2。

圖2框架的剪切剛度

結語

總之，剪力墻結構設計中有很多需要注意的問題，也有一些技巧，只有熟練地掌握規范，并具有良好的結構概念，才能設計出既安全又經濟適用的優秀作品。

參考文獻：

[1]張黎明，郭惠.鋼筋混凝土框架一剪力墻設計中的若干問題[J].江蘇大學學報：自然科學版，2009，（4）：73-77.

[2]梁守科.鋼框架結構中設有鋼筋混凝土剪力墻的設計淺析[J].江西建材，2015，（2）：78-79