關于框架加少量剪力墻結構抗震設計的探討

崔海濤

【摘要】鋼筋混凝土框架結構憑借自身的經濟性、延展性等性能，在建設工程當中得到了廣泛運用。然而，在實際運用過程中，介于部分框架結構體型較為特殊的影響，即便是經過科學計算，也難以滿足相關規范對彈性層間位移角的實際需求，且位移比要求也難以滿足。雖然利用增加梁柱截面面積的方式，大體上可以改善體系位移問題，但是所呈現出的經濟性較差。如果此時在適當部位設置，數量較少的剪力墻結構，很容易加強對結構位移問題的控制力度。結合以往的經驗來看，我國相關規范并未對加少量剪力墻框架結構問題予以明確規定，也并未對相關控制指標進行明確規定，導致施工設計、審查等工作無從下手。針對于此，文章主要結合工程實例，重點分析少量剪力墻結構在框架抗震設計中的具體問題，闡明具體應用情況，僅供參考。

【關鍵詞】剪力墻結構;抗震設計;框架結構;少量

1、關于框架加少量剪力墻結構抗震設計問題的研究意義

自我國新規范實施以來，我們在施工圖審查工作中常常會遇到下述問題，即框架結構布置會存在少量剪力墻結構的情況，而我們往往未對這部分剪力墻結構做出明確規定，導致頻頻出現隱患問題。究其原因，主要是因為某些純框架在抗震計算過程中，層間位移角在限值規定方面，并未滿足1/550的規定要求[1]。或者純框架結構在抗震計算過程中，部分抗扭指標無法滿足相關要求，又或者是扭轉周期比往往超過預期限定的數值，導致結構剛度未達到預期要求。根據實踐經驗來看，部分施工人員針對這一情況，會故意將樓梯或者電梯中的混凝土筒設置成為加少量剪力墻結構的情況，以期可以盡量滿足預期標準。

一般來說，加少量剪力墻的框架結構形式多可歸類為多層建筑形式，很少會有高度超過規定數值的高層建筑形式。舉例而言，某城市世貿商城項目，建筑總長397m、寬117m、高32m。在建筑形式上，為地上6層、地下2層。介于該建筑高度遠遠超過28m（規定值），整體上可以歸類為高層建筑。工程抗震設防烈度為8度，純框架結構形式[2]。為解決純框架計算層間位移不達標的問題，工程人員選擇利用加少量剪力墻結構的方式進行合理解決。又比如某市社區中心工程為單跨多層純框架結構形式，抗震設防烈度與上述相等。經過多次修改與整頓，仍無法滿足抗震計算標準。在無法增加柱子截面的前提下，工程人員選擇在樓梯間處增加少量剪力墻結構，目的在于及時滿足層間位移要求。

2、關于框架加少量剪力墻結構抗震設計問題的相關規范與建議

針對框架加少量剪力墻結構抗震設計問題，我國在《建筑抗震設計規范GB-50011-2001》中并無明確表示。只是在高層建筑混凝土結構技術規程中，簡明扼要地提出在進行剪力墻結構抗震設計的時候，應該重點考慮剪力墻與框架之間的協同關系，避免出現隱患問題[3]。并明確提出對于剪力墻對結構產生較大剛度偏心作用的時候，可以采取適當的措施加以解決，如采取開洞等措施，目的在于降低剪力墻的作用效果。與此同時，適當增加與剪力墻之間相連接的柱子配筋數量。然而，這種方法治標不治本，對于層間位移角的控制問題并無明顯效果，也并無明確規定或者比例，確定層間位移角的控制問題。

一般來說，剪力墻結構所承受的地震傾覆力矩應該嚴格控制在規定范圍當中。倘若超出預期范圍，剪力墻結構的受力特征、變形特征也會隨之變化。以往規定在框架-剪力墻結構方面，并無明確限定，只是要求剪力墻結構所承擔的地震傾覆力矩應該超過總地震傾覆力矩的一半[4]。根據實際情況來看，設計的剪力墻結構在能夠承擔總地震傾覆力矩的一半以上時，受力特征會相應減弱。如果剪力墻結構的受力特征進一步降低，其所承擔的地震傾覆力矩會逐漸遞減，從50%逐漸遞減，此時框架受力特征會明顯增強。當接近0時，基本上變換為純框架受力特性。

經過多年的發展與實踐，我國《建筑抗震設計規范（GB50011-2010）》針對少量剪力墻框架結構問題做出了相關表述。條款中明確指出少量剪力墻框架結構中的剪力墻抗震設計問題，與框架-剪力墻抗震構造措施存在顯著區別，不可同一而論[5]。相關研究學者也明確指出，少量剪力墻框架結構中的剪力墻抗震等級問題可以根據工程實際情況，選擇合適的框架抗震等級。即便是突遇強烈地震問題的時候，剪力墻結構雖受到剛度退化的影響，但是介于框架結構與剪力墻結構之間的既定關系，如塑性內力重分布關系，框架結構會充當抗側力構件的作用，承擔地震帶來的不良影響。

3、關于框架加少量剪力墻結構抗震設計問題的實踐應用分析

3.1 基本要求

一般來說，設置少量剪力墻并未從本質上改變以往的結構形式，在某些方面仍屬于少量剪力墻框架結構形式，只不過要比普通的特殊一些。我國研究人員針對這一問題進行了多年研究，研究表明：框架結構布置少量剪力墻結構，框架結構必須作為結構主體部分。不管是在豎向荷載，還是抗側剛度方面，均占據主導位置。介于剪力墻量較少的影響，且也不屬于抗側力結構部分，當受到地震影響較小的時候，剪力墻可以承擔輔助性作用，為框架結構提供彈性剛度。

如此一來，設置的少量剪力墻框架結構能夠有效滿足規范要求，比如框架結構的彈性層間位移角要求，或者是位移比要求。需要注意的是，在實際應用過程中，應該利用剛度分配原則，確保剪力墻結構的塑性效果。即便是出現明顯裂縫或者剛度退化問題，也會因為剪力墻結構的剛度特點，承擔一定的抗震作用，避免出現嚴重的隱患問題。與此同時，工程人員需要立足于工程實際情況進行合理設置，確保框架加少量剪力墻結構抗震設計的合理性[6]。

3.2 基本原則

根據上述規定要求可知，布置少量剪力墻結構并未改變原來的結構體系內容，整體上還是屬于框架結構形式。但是與普通純框架結構形式明顯不同，屬于一種特殊的框架結構形式。區別在于框架為結構主導，承受豎向荷載作用力與抗側力。在實際應用過程中，工程人員應該盡量滿足框架結構的位移限值，目的在于確保結構所承擔的側向力準確無誤。在結構分析過程中，除了按照既定的計算要求進行分析之外，設計過程應該根據承載力要求、彈性變形限值要求等內容，進行合理分析，與此同時，盡量根據遵守框架結構與剪力墻結構協同要求，進行反復計算，并實行合理的包絡設計方案。

3.3 工程實例與應用分析

文章以某辦公樓為框架結構進行分析。該辦公樓主要設立5層，結構高度約為23.6m左右，抗震設防類別為丙類、抗震設防烈度為7度。在地震分組的設計方面為三類場地，具有一層結構與二層結構。在對該結構進行設計的過程中，相關人員提出兩種方案進行合理比較。方案一：一層結構與二層結構布置普通框架梁柱;方案二：一層與二層的1軸、7軸樓梯間位置，布置少量剪力墻結構，其余部分和方案一相同[7]。

需要注意的是，方案一與方案二均以PKPM方式為主要電算方式。經過電算之后，工程人員得出基于不同工況下，層間位移角的計算結果。根據不同工況下層間位移與平均層間位移的計算結果，可以確定最大層間位移角。經過反復比較之后，增設剪力墻結構，最大層間位移角發生一定程度的降低，約為6%。調查原因，發現由于設置少量剪力墻結構，框架結構整體的抗側剛度明顯加強，且自身的抗震性能也得到明顯加強，使得最大層間位移角明顯減少。

而純框架方案與少量剪力墻框架方案相比而言，最大層間位移與平均層間位移之間的比值存在明顯不同。經過反復對比，設置少量剪力墻之后，最大位移比降低了近9%以上。一般來說，位移比與扭轉效應之間存在明顯既定關系，結構實際存在的扭轉量經過少量剪力墻的作用，發生明顯降低。再加上該工程屬于長寬均比較大的長方形平面結構，如果長寬比超過預定范圍時，結構扭轉效應會發生明顯變化[8]。

由此可以看出，工程采用純框架結構不符合規范要求，結構的抗震性能會明顯降低。且經過反復測驗可知，在與該工程類似的工程當中，通過采用框架加少量剪力墻結構抗震設計方法，會明顯加強框架結構整體的抗震性能，規避純框架抗震性能不足的情況。需要注意的是，相關人員在實際運用過程中，必須立足于本工程實際情況，選擇合理的抗震設計方案進行運用，不可照搬照抄，盡量防止因設計不合理而造成的不良問題。

3.4 配筋比較問題

以該工程第二層為例，針對方案二中剪力墻周邊配筋結果，與方案一配筋結果進行綜合比較，目的在于闡明二者之間的配筋比較問題。方案一的第二層混凝土構件在局部配筋問題方面，在設置剪力墻結構之后，剪力墻附件的框架柱在平面方向的配筋數量發生明顯降低。出現這一問題的主要原因在于剪力墻自身平面具備的剛度較高，水平力要比一般情況大得多[9]。

綜合比較兩個方案的梁配筋數量問題，不難發現梁配筋變化規律存在一定的特定性，大體上與柱配筋變化規律差不多。根據這種兩種方案配筋數量的不同，基本上也從側面反映出少量剪力墻框架結構與純框架結構在性能方面存在明顯不同，必須針對具體情況進行分別計算，尤其是要重點設計包絡計算方案，目的在于進一步提高框架結構的應用性能，防止出現隱患問題。

3.5 優化措施

為進一步確保框架加少量剪力墻結構抗震設計方案的合理性與科學性，我們需要明確少量剪力墻定量的設計原則。在實際設計過程中，必須以框架柱的地震傾覆彎矩比作為控制原點，根據框架到框架剪力墻的轉變情況，及時分析并明確剪力墻具體設置數量以及控制要點。一般來說，這并不是一個突變的過程，而是經過工程人員反復測量與計算得出的結果，必須加以嚴格把控，防止出現質量隱患問題[10]。

與此同時，布置少量剪力墻框架結構的過程中，應該按照純框架與框架-剪力墻結構形式，進行分別測量與計算，并實行包絡設計，目的在于進一步確保建筑結構的質量安全，避免出現嚴重的隱患問題。需要注意的是，這種體系一般多適用于高度較大的結構當中，可以根據實際情況進行合理提高，但是不得超過框架與框架-剪力墻兩者之間的高度差值，且抗震等級需要按照規定要求進行合理改善。如此一來，少量剪力墻框架結構的性能勢必會得到進一步提升與加強。

除此之外，在少量剪力墻框架結構的設計方面，應該嚴格按照框架與剪力墻協同工作原則，做好全包絡設計方案。經過多次實驗，這種方案比較可取。對于框架-剪力墻結構計算問題，應該嚴格按照規范要求進行合理分析與確定，主要確定配筋數量。如果剪力墻在滿足強剪弱彎的基礎下，可以按照截面最大配筋率進行合理計算。這樣做的主要目的在于嚴加控制好框架結構中的彈性位移距離與相關數值，確保剪力墻的承載力得以發揮，實現預期的應用價值。

結論：

根據文章的相關概述可知，在實際工程當中，通過運用少量剪力墻框架結構概念完成抗震設計方案，基本上可以有效掌握結構體系性能問題與結構布置問題。本人在分析工程實例的過程中，得出如下結論：

（1）少量剪力墻框架結構分析計算過程中，我們不僅需要考慮剪力墻結構與框架結構之間的協同性，還需要考慮按照純框架結構進行準確計算，并結合上述兩種情況，得出包絡值，完成配筋設計方案。

（2）對于加少量剪力墻結構抗震設計問題，建議相關人員必須在合適的位置進行設置，如樓電梯等位置，適當設置少量剪力墻框架混凝土構件，并按照圖紙設計要求，確保局部配筋的合理性。目的在于及時提高結構抗側剛度，優化結構整體的抗震性能。

（3）對于今后少量剪力墻框架結構的研究方向，建議有關人員可以針對剪力墻框架結構層間位移角與剛度之間的關系進行合理分析，并將其合理運用到結構當中，完成分析工作。

參考文獻：

[1]扈志恒.關于框架加少量剪力墻結構抗震設計的探討[J].建筑結構，2014（03）：70-71.

[2]王紅霞.關于框架加少量剪力墻結構抗震設計的探討[J].山西建筑，2010（16）：78-79.

[3]卿科.剪力墻數量與空間位置對框架—剪力墻結構抗震性能影響的研究[D].湖南大學，2017.

[4]楊潔.少剪力墻框架結構的性能分析[D].天津大學，2010.

[5]殷磊.基于性能的剪力墻結構抗震設計方法研究[D].東南大學，2015.

[6]唐柏杰.低屈服點鋼板剪力墻結構抗震性能評估[D].江蘇科技大學，2016.

[7]楊少華.框架剪力墻結構基于性能的抗震設計方法研究[D].安徽建筑大學，2017.

[8]范值慎.高地震烈度區超高層剪力墻結構住宅的抗震性能設計研究[D].北京建筑大學，2015.

[9]陳曉祥.高層框架—剪力墻結構基于性能的抗震研究[D].天津大學，2010.

[10]張婷.基于性能剪力墻結構抗震評估與應用[D].河北工程大學，2013.