少墻框架結構在工程設計中的應用

晉哲鋒 （安徽省城鄉規劃設計研究院，安徽 合肥 230022）

1 引言

框架結構是傳統民用建筑中經常采用的一種結構型式，其主要優點有建筑平面布置靈活，可形成較大建筑空間。結構的整體性較好，能達到較好的抗震效果等，同時其也存在著側向剛度、抗扭剛度小等不足，常會導致層間位移角及扭轉位移比無法滿足規范要求。因此，在框架結構中設置少量抗震墻的設計方法日益增多，并取得良好的效果，從而形成了一種特殊的結構體系——設置少量抗震墻的框架結構，即少墻框架。

關于少墻框架的定義及相關要求，《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）（2016年版）（以下簡稱《抗規》）[1]與《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3-2010）（以下簡稱《高規》）[2]中都有描述，但并不完全統一，且上述規范對少墻框架結構中的框架及剪力墻均未予以量化，對剪力墻在這種結構形式中的作用未予以說明，導致結構設計及施工圖審查時無章可循，在實際工程中也難以廣泛應用[3]。本文結合實際工程實例，提出了少墻框架體系的應用范圍和設計思路。

2 工程概況

本工程位于合肥市濱湖新區，為某基地綜合館，長59.8m，寬53.6m，主要柱網尺寸8.4m×8.4m。地下1層，地上5層，建筑面積約 2.2萬 m2，總高23.20m。其中地下1層為機動車庫及設備配套用房，首層為展館，層高7.4m。二層為信息中心和檔案庫，層高4.8m。三層為運動場地，高度4.8m+3.8m+3.8m，四、五層為附屬辦公用房，圍繞運動場地上空呈回字形布置，平面圖如圖所示，層高均為3.8m。本工程結構設計使用年限為50年。抗震設防烈度7度，設計基本地震加速度為0.10g，設計地震分組為第一組，特征周期為0.35s，場地類別為Ⅱ類，50年重現期的基本風壓為0.35kN/m2，地面粗糙度為B類。建筑方案平面中四個角部均設有疏散用樓梯，造成了角柱雖有兩個方向框架梁的拉結，但卻缺少水平樓板連接，對于結構抗震及抗扭轉不利。結構方案布置采取了加強角部樓梯間的剛度，在樓梯間角柱位置兩個方向上均設置少量的剪力墻。墻長1500，墻厚200，墻肢均與框架柱相連接。

3 計算分析

采用盈建科軟件，按純框架結構及框架—剪力墻結構兩種結構體系分別建模，根據軟件計算結果，在設置了少量抗震墻的計算模型中，結構底部框架部分在X、Y方向所承擔的地震傾覆力矩分別為75.70%、76.60%，按《抗規》第6.1.3條屬于典型的少墻框架結構在多遇地震作用下兩種結構方案的抗震性能比較見表1所示。

綜合管三層平面示意

由于增加少量抗震墻后可有限增加結構剛度，前兩個振型的自振周期均略有降低，但第三振型（扭轉振型）的自振周期降低明顯，可以有效控制扭轉周期比，滿足規范要求。同時兩種結構體系在規定水平力作用下彈性層間位移角均滿足規范對框架結構的要求，少墻框架結構的層間位移角減小幅度不大，說明這種結構體系的剛度在滿足規范柔性的條件下，剛度并沒有過大，但可以顯著改善框架結構的抗震性能。

4 經濟對比

對兩個結構體系進行鋼筋用量和混凝土用量的統計，考慮到兩個結構的平面和樓板厚度、配筋相同，僅對梁、柱、墻的經濟指標進行比較，詳見表2。由此可知，與純框架結構相比，少墻框架結構混凝土用量增加4.4%，鋼筋用量增加5.7%，考慮到實際配筋設計時需要采用包絡設計，含樓板等未計入在內的工程量，最終的綜合造價比純框架結構增加不超過5%，經濟性顯著。

設置少量抗震墻后結構參數對比 表1

5 少墻框架結構的設計方法

5.1 彈性層間位移角的設計原則

少墻框架結構仍然屬于框架結構范疇，在多遇地震作用下的層間位移角限值，可按底層框架部分承擔的傾覆力矩的大小，在框架結構和框架—抗震墻結構兩者的彈性層間位移角限值之間進行偏安全的內插，具體見表3。

5.2 框架的設計原則

相關研究表明，少墻框架與框架—剪力墻的剪力分布情況不同，為了精確分析框架和墻體的協同工作結果，保證結構有一定的安全冗余，《抗規》中明確規定，少墻框架結構其框架部分的地震剪力值，宜取框架結構模型和框架—剪力墻模型二者計算結果的較大值，即按純框架結構（不計入剪力墻）和框架—剪力墻結構分別計算，取兩者中的較大值作為框架結構的配筋依據，框架的抗震等級按純框架結構確定。

5.3 抗震墻的設計原則

框架結構設置少量抗震墻的目的，一是適當增大框架結構的剛度，二是提高框架結構的抗地震倒塌能力[4]。由于少墻框架結構不必調整框架部分各層的地震剪力。因此，應通過降低抗震墻部分各層的地震剪力（實質是降低抗震墻的承載力），使抗震墻先于框架屈服、破壞。《抗規》規定，少墻框架結構的抗震墻，其抗震構造措施可按抗震墻結構的規定執行。為了使少墻框架結構的抗震墻起到“保險絲”的作用，用于設計的抗震墻的地震剪力標準值應小于框架—抗震墻模型的計算結果。抗震墻應設計成短墻或開豎縫墻，避免承受過大的水平剪力。當為聯肢墻時，采用大胯高比的連梁，使各墻成為獨立墻肢。抗震墻可根據剪壓比限值配置水平鋼筋，然后根據強剪弱彎的原則配置豎向鋼筋。

經濟指標對比 表2

含少量抗震墻的框架結構彈性層間位移角限值 表3

6 結論

文章以實際工程為例，通過對比少墻框架結構和純框架結構在多遇地震作用下的計算結果，可以發現在多層框架結構中設置少量抗震墻，可有效提高框架結構中的薄弱部位的剛度，改善框架結構的抗扭轉性能，減小彈性層間位移角，框架結構的各項抗震性能指標也均有所改善，同時造價提高幅度不多，因此少墻框架結構在多層建筑中有很好的實用性。