高層框架剪力墻結構抗震設計研究

崔炫

摘要：伴隨我國高層建筑的飛速發展，對高層建筑抗震性能也提出更高的要求，框架剪力墻設計結構由于能夠綜合兩者的優點，而廣泛應用于建筑行業。本文為深入研究該結構的設計要點，首先分別對剪力墻、框架以及框架剪力墻進行受力分析，進而對框架剪力墻結構在抗震設計上的要點進行研究，希望為今后框架剪力墻結構在高層建筑工程中的應用提供一定的參考與幫助。

Abstract： With the rapid development of high-rise buildings in China， higher requirements have been put forward for the seismic performance of high-rise buildings. The frame shear wall design structure is widely used in the construction industry because of its advantages. In this paper， the design key points of the structure is studied. First， force analysis of the shear wall， frame and frame shear wall is carried out， and then the key points of the seismic design of frame shear wall structure are studied. It is hoped that this paper can provide help for the application of frame shear wall structure in the high-rise building construction in the future.

關鍵詞：框架結構；剪力墻結構；高層建筑；受力特征：設計要點

Key words： frame structure；shear wall structure；high-rise building；stress characteristics；design points

中圖分類號：TU398+.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）14-0079-02

0 引言

目前，隨著我國城市建筑行業的快速發展，對高層建筑的要求就越來越高，由于框架剪力墻結構不僅具有框架的優點，同時還具有剪力墻的優點，因此，該結構普遍應用于城市高層建筑中。而因抗震性是框架剪力墻結構的重要性能，故框架剪力墻的抗震性成為高程建筑設計的關鍵。為使框架剪力墻結構可以在地震中最大性能地表現出其優點，需對框架和剪力墻的變形特點進行研究，并將其完美的結合起來[1]。

1 框架剪力墻受力特點

1.1 框架、剪力墻受力特點

框架結構在高層建筑中的形變一般表現出剪切特點，其改變情況會隨著位移的增加而減慢，屬于開口型曲線，即框架結構的形變曲線屬于剪切型。在建筑中期純框架結構的形變曲線相同。因此，其水平方向受力是根據不同框架結構的抗推剛度按一定的比例進行分配。

剪力墻結構的變形曲線特征類似于懸臂梁彎曲曲線的特點，其增大速度隨著位移的增大而加快，曲線表現出彎形開口。抗彎曲強度在平面內表現較大，當結構屬于普通剪力墻時，其受力位移線類似，即在剪力墻間水平方向的力根據其剛度值分別進行等效分配[2]。

1.2 框架剪力墻結構受力特點

框架剪力墻高層結構中，由于高層建筑樓蓋在平面范圍內剛度可以認為是無限大的，因此結構的剪力墻與框架可以通過樓蓋進行連接并形成網絡，進而一起承擔水平方向力，避免結構受剪切變形或彎曲變形的單一影響，在同一樓層該結構位移基本保持一致。故，在水平面范圍框架剪力墻的位移形式位于剪力墻和框架間，屬于彎剪型，即曲線屬于煩S型。因此，對于框架剪力墻高層建筑結構來說，在建筑的下部剪力墻因受到大于80%的水平剪力而導致變形量很小，相反在建筑結構的上部，框架結構受到較小的變形，能夠與剪力墻共同作用，來抵抗剪力墻結構向外的變形，水平方向的剪力也相應地較大。實際上，框架剪力墻高層建筑結構是剪力墻與框架結構的結合，通過利用兩種結構優點而有效地對水平方向的變形進行協調，從而達到對側向剛度增強的效果，最終增加結構的抗震性[3]。

1.3 框架剪力墻結構設計的參數

在剪力墻在框架剪力墻高層建筑結構中的受力通常由剛度λ表示，即采用框架剛度與剪力墻剛度之比來表示。在不考慮梁體軸向與約束變形的情況下，可通過下式表達：

根據實際工程顯示，當λ較小時，說明框架總體剪力剛度與剪力墻結構的彎曲剛度比值也較小，整體彎曲變形屬于彎剪型，即當建筑結構中存在過多的剪力墻時，建筑自振周期降低，剛度變大，同時地震力反而增大，因此將減小其延展性，尤其不利于建筑結構的頂部。通常情況下，越多的剪力墻越有利于結構的抗震，然而剪力墻的數量存在一定的限度，若超過該極限數值將對建筑結構產生負面的影響。根據相關研究[4]，當λ不小于1.15時最有利于框架剪力墻結構。

λ值并非越大越好，當具有過大的λ值時，建筑結構會表現出剪彎的形式，即當結構中有較少數量的剪力墻時，剛度將變弱而無法符合變形要求，此時框架結構具有較大的受力，最終導致因增大的梁截面而增加成本。事實證明，通常情況下，λ不大于2.4為宜[5]。

2 框架剪力墻建筑抗震設計要點

2.1 增強剪力墻抗震性

建筑結構在進行設計時，在剪力墻周邊通過增多梁柱的方式組成邊框剪力墻。該設計不見能夠有效防止因斜向裂縫而向周圍結構擴展，還能夠代替損壞的剪力墻而發揮承載的作用。需要注意的是，當邊框結構數量增加時應滿足斜截面承載力，目的是抵抗因開裂剪力墻而施加于梁柱的附加剪力。此外，肢墻面積應當合理，該設計法的原理是減小肢墻面積，通過結構的形式而形成雙肢墻或多肢墻，來保證屈服位置和裂縫位于結構洞口與豎縫的連梁處，從而形成耗能結構。同時該剪力墻能夠減小剛度，在發生地震時防止出現剪切破壞以及在底部墻體出現過早的屈服[6]。

2.2 改善框架結構抗震性

由于橫縱框架連接的重要結構是角柱，因此，想要加固框架的整體性，則需要強化框架的角柱，增加其抗剪力。此外，為了避免框架出現剪力滯后的問題，我們可以在外側框架結構平面里設置鋼筋混凝土剪力墻的墻板，從而增加框架抵抗力剛度與結構整體性，減小結構發生側向的位移，尤其樓層之間的移動，表現為X型或K型[7]。然而，需要考慮其較差的延性，應當在墻板上合適地位置設置十字開口，使結構出現薄弱位置，從而得到延性耗能墻。在結構設計中加大偏交斜撐的數量，通過彎曲耗能來替代軸邊耗能，其中可以采用鋼纖維混凝土制作折曲支撐，而利用鋼桿制作偏心連接支撐。當地震震級較大時，利用該桿件能夠完成先行屈服，此外，該類構件在地震中因變形而失效，進而導致結構整體的穩定性發生改變同時改變建筑結構的自振頻率，能夠有效防止建筑結構出現共振。[8]

2.3 提高整體抗震性

在設計建筑結構時通過機構控制來實現總體屈服的目的，在框架剪力墻建筑中的某個位置，采用安裝塑性鉸的方式來控制其作用的位置、變形度以及次序，從而使建筑物遭遇地震災害時能夠更有效地形成耗能機構。水平構件在水平力的作用下先出現屈服，其次是豎向的構件[9]。剪力墻在框架剪力墻中的體積越大、數量越多，那么其剛度也將越大，然而這將減小建筑的自振周期，地震作用增加；相反，建筑剛度將降低，地震作用也將減小。因此，在進行結構的設計時，需對建筑本身有充分的考慮，對于建筑結構的高度、設防烈度以及裝修等級等均應考慮在內，設置建筑結構所能承受的最大位移值。最終目的是對剪力墻體積和數量的確定，確保結構的安全以及經濟性[10]。

3 工程案例分析

深圳某高層建筑項目，總面積約60000m2，總建筑高程為102m，地上地下分別為32層、3層。該高層建筑包括2棟塔樓，塔樓之間通過抗震縫使其分離。為滿足該建筑的使用功能，其中商用空間位于地面上1至5層，普通住宅位于5層之上，為使商用樓層與住宅結構均滿足抗側力的要求，因此，該高層建筑設計中采用框架剪力墻結構，5層頂面則采用梁式轉換來進行剪力墻內力的傳遞。底層框架結構以及剪力墻的加強區均設計為一級抗震等級，框支柱結構設計抗震等級為特一級，其他部分剪力墻設計的抗震等級為二級。通過現場及室內試驗證明：為考慮建筑要求而設置于住宅層的轉角窗在很大程度上降低了結構的抗扭剛度，這極易導致墻體發生不規則的扭轉，這非常不利于高層且復雜結構的抗震性。此外，我們可以通過加厚建筑底層外墻厚度以及墻體四周安置端柱的措施來約束墻體，還可以通過增加配筋、軸壓比的控制，使結構具有一定的延展性，進而提供抗震等級。該建筑主體工程為框架剪力墻結構，且采用鋼筋混凝土采用現澆施工進行，樓板采用梁板式結構，事實證明該結構能夠很好地滿足結構的協調性和剛度的要求。

4 結論

框架剪力墻建筑結構由于其互補性而得到建筑行業的廣泛認可以及使用。建筑結構設計的合理程度對框架剪力墻結構的優勢發揮具有較大的影響，設計的合理程度越高其抗震性能越高，而通過分析可以得到，結構設計的重點在于剪力墻形式以及數量的應用。因此，在實際工程設計時，所遵循的原則應當是結構承載均勻分散，同時有效把握節點，然后是剪力墻與框架使用形式以及比例的確定，以此確保高層建筑中框架剪力墻結構對抗震的作用。

參考文獻：

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[10]張寶華.淺述框架-剪力墻高層建筑結構優化設計研究[J].現代物業（上旬刊），2012（08）：82-83.