高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探析

安智瑞

0 前言

隨著城鎮(zhèn)化事業(yè)的發(fā)展，土地成為一種較為稀缺的資源，高層建筑成為解決空間利用不足的重要法寶。框剪結(jié)構(gòu)是高層建筑設(shè)計(jì)的常用形式，框剪結(jié)構(gòu)在整體設(shè)計(jì)上較為靈活，具有極強(qiáng)的自由度，抗剪能力也有了很大的提升，有效提高抗橫向彎矩的能力。框架剪力墻結(jié)構(gòu)也是目前高層住宅、辦公以及商業(yè)建筑中比較常見(jiàn)的設(shè)計(jì)形式。

1 框架剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)

框剪結(jié)構(gòu)布局的基礎(chǔ)條件是框架結(jié)構(gòu)體系，在平面框架體系中布置一定數(shù)量的剪力墻。在平面中設(shè)計(jì)，來(lái)達(dá)到靈活應(yīng)用空間的目的，空間使用的自由度較大。在結(jié)構(gòu)性能上，框剪體系吸取了兩者的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)抗震性能較好。框剪結(jié)構(gòu)能夠?qū)煞N不同結(jié)構(gòu)體系重新組合起來(lái)，它與單純使用剪力墻設(shè)計(jì)或者是整體性的框架設(shè)計(jì)有著明顯的區(qū)別。在這種新的受力結(jié)構(gòu)內(nèi)，兩者一起承擔(dān)豎向的荷載，水平方向抗側(cè)向位移能力較強(qiáng)，因此具有較大的剛度，并且抗剪能力也較強(qiáng)。在實(shí)際設(shè)計(jì)與運(yùn)用過(guò)程中，能夠揚(yáng)長(zhǎng)避短，使得建筑的結(jié)構(gòu)與功能能夠得到較好的協(xié)調(diào)。抗剪體系同時(shí)具備布局較為靈活，使用較為簡(jiǎn)單的性能，同時(shí)也有抗剪能力較強(qiáng)，抗震能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，因此在設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。

2 高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)

2.1 結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)

在框剪結(jié)構(gòu)中，兩種結(jié)構(gòu)一起承擔(dān)豎向以及水平方向的結(jié)構(gòu)作用力。在整體布局中，承擔(dān)豎向荷載的構(gòu)件主要是剪力墻，這是一種優(yōu)良的懸臂構(gòu)件，同時(shí)具備較好的彎曲特點(diǎn)，在剪力墻的上部，其側(cè)向位移會(huì)有較大的改變。框架結(jié)構(gòu)類似于一種懸臂梁，因此它的主要是帶有剪切性質(zhì)的變形曲線，向上的地方，側(cè)向位移增加越慢。在同一平面層上，由于具有整體框架中樓板的作用力，整體構(gòu)件在曲線變化上會(huì)呈現(xiàn)相同的規(guī)律。在空間化的高層建筑平面中，側(cè)向剛度比較大，因此在水平方向上剪力大部分由剪力墻分擔(dān)，有效減少梁和柱的截面尺寸，同時(shí)能夠優(yōu)化結(jié)構(gòu)的整體受力狀態(tài)，協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)力的分布，成果比較顯著。框架結(jié)構(gòu)承受的水平剪力較小，并且它能夠沿著水平方向分布均勻，在這種結(jié)構(gòu)中，柱子斷面尺寸以及鋼筋的配筋都分布較為勻稱，有利于結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。底部的墻體抗剪切性能比較優(yōu)良，因此能夠有效改變結(jié)構(gòu)的整體位移。但是在框剪體系的上部，相較于造成的位移上變動(dòng)，體系的整體水平位移比較小，同時(shí)這種結(jié)構(gòu)能夠有效制約負(fù)剪率。因此從綜合角度上來(lái)看，框剪體系能夠有效綜合框架結(jié)構(gòu)的剪切變形以及剪力墻結(jié)構(gòu)的彎曲變形兩者的受力特點(diǎn)，使得各個(gè)構(gòu)件變形趨向均勻，能夠有效改善純剪力墻結(jié)構(gòu)或者是純框架結(jié)構(gòu)的受力特性，改變?cè)瓉?lái)的上下層層間變形過(guò)大的劣勢(shì)。

2.2 設(shè)計(jì)重點(diǎn)以及難點(diǎn)

在剪力墻的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以在剪力墻周?chē)黾恿汉椭Y(jié)構(gòu)，從而形成邊框的剪力墻，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能夠有效阻止斜向裂縫向周?chē)Y(jié)構(gòu)擴(kuò)展，也可以在剪力墻支撐結(jié)構(gòu)受到破壞后代替剪力墻進(jìn)行承載作用。邊框結(jié)構(gòu)應(yīng)該具備斜面承載能力，主要抵抗剪力墻開(kāi)裂后對(duì)于其他梁柱的附加剪力。可以將剪力墻的面積盡可能減小，利用多種結(jié)構(gòu)形式形成多肢墻或者是雙肢墻，這種結(jié)構(gòu)能夠有效控制裂縫的擴(kuò)展，形成耗能結(jié)構(gòu)。剪力墻結(jié)構(gòu)能夠有效降低整體的剛度，避免在發(fā)生地震時(shí)形成剪切破壞，或者是剪力墻底部過(guò)早屈服。剪力墻在布置過(guò)程中需要遵守以下幾點(diǎn)原則：

①剪力墻特別適宜布置在建筑物的樓梯間電梯間以及建筑平面變化較大的部位，最好是進(jìn)行均勻分布，剪力墻之間的間距不能夠過(guò)大；②當(dāng)建筑物平面形狀具有比較明顯的凹凸性時(shí)，應(yīng)該將剪力墻布置在突出部分位置；③縱向以及橫向的剪力墻比較適合形成l型結(jié)構(gòu)或者是t型結(jié)構(gòu)；④剪力墻如果為單片結(jié)構(gòu)那么它底部所存在的水平方向的剪力，最好不要超過(guò)整體結(jié)構(gòu)水平減低了30%；⑤剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)該貫穿于整個(gè)建筑物的全高，這樣能夠有效避免剛度在豎直方向上突然發(fā)生變化，如果要進(jìn)行開(kāi)洞措施，那么洞口應(yīng)該上下對(duì)齊；⑥電梯間部位的剪力墻應(yīng)該盡量布置在抗側(cè)力結(jié)構(gòu)；⑦在進(jìn)行剪力墻抗震設(shè)計(jì)時(shí)，剪力墻布置應(yīng)該靠近主軸方向側(cè)向高度。

在地震作用的水平方向下，框架剪力墻結(jié)構(gòu)框架部分承受的剪力通常較小，如果按照多道設(shè)防的理念，剪力墻是水平抗震的第一道防線，因此如果遇到地震條件，墻體應(yīng)該先于框架結(jié)構(gòu)破壞。為了增強(qiáng)框架剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，結(jié)構(gòu)應(yīng)該形成雙向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系，并且在結(jié)構(gòu)主軸方向剛度不能夠有太大誤差，在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中，要按照主軸方向布置剪力墻，形成多道防線要求。

3 框架剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)

（1）在框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以采用機(jī)構(gòu)控制來(lái)達(dá)到總體屈服的效果，可以在較為特定的位置設(shè)定塑性鉸，發(fā)生的次序形變位置進(jìn)行控制，使得結(jié)構(gòu)在地震結(jié)構(gòu)作用下也能夠形成較好的耗能機(jī)構(gòu)，如果在水平方向構(gòu)件首先進(jìn)行屈服，然后才是豎向結(jié)構(gòu)的屈服。

（2）需要對(duì)結(jié)構(gòu)的高度以及抗剪能力進(jìn)行平衡，在框剪整體結(jié)構(gòu)中，如果增加剪力墻數(shù)量，那么結(jié)構(gòu)體積會(huì)增大，結(jié)構(gòu)的高度也就會(huì)增加，就會(huì)造成結(jié)構(gòu)自身自震周期減小，組織地震作用會(huì)加大，但是反之結(jié)構(gòu)就會(huì)減少自身的高度，地震作用就會(huì)減小。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要根據(jù)情況來(lái)綜合進(jìn)行考慮，將高層建筑的抗震設(shè)防烈度高度以及內(nèi)部裝修等考慮在內(nèi)，確定較為適宜的位移最大移動(dòng)性質(zhì)，從而能夠合理確定框剪結(jié)構(gòu)中剪力墻的數(shù)量以及整體的體積，保證高層建筑具有較高的經(jīng)濟(jì)性以及安全性。

（3）需要實(shí)現(xiàn)框架結(jié)構(gòu)剛度和延展性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。框架剪力墻結(jié)構(gòu)在高度以及粘性系數(shù)都存在一定的差異性，這就給框架結(jié)構(gòu)上結(jié)構(gòu)提高其抗震能力帶來(lái)了難題，在理論狀態(tài)下，框架剪力上結(jié)構(gòu)各個(gè)構(gòu)件之間可能會(huì)出現(xiàn)協(xié)調(diào)不一致的情形，或者會(huì)出現(xiàn)先后遭到破壞，以至于各個(gè)擊破，這種情況降低了框架剪力墻結(jié)構(gòu)中構(gòu)件的抗震可靠程度，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中需要連接各個(gè)構(gòu)件，使其充分協(xié)調(diào)，達(dá)到高度以及延展性的統(tǒng)一，從而能夠有效提升框架剪力墻墻結(jié)構(gòu)的抗震性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

框架剪力墻結(jié)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)性，因此在高層建筑中得到了廣泛的使用，合理的使用框架剪力墻結(jié)構(gòu)能夠有效突出框架結(jié)構(gòu)以及剪力墻結(jié)構(gòu)的兩種優(yōu)勢(shì)，提升高層建筑的抗震能力，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要遵循承載分散以及把握要點(diǎn)等原則，綜合確定框架剪力墻結(jié)構(gòu)的整體使用比例，做好兩者之間的協(xié)調(diào)工作，使得高層建筑在設(shè)計(jì)以及后期的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中更加安全。