高層框架剪力墻結構抗震設計

曹光輝

（中交第二航務工程局有限公司，武漢 430056）

1 工程概況

“云城尚品”一期建設項目（A 地塊），占地面積39 607.1 m2，地上、地下建筑面積分別為138 439.32 m2和55 426.8 m2。建筑采用框架剪力墻結構，地基基礎由獨立條形基礎、筏板基礎、地下室抗浮底板共同組成，局部設置有挖孔樁和抗拔樁。抗震設防等級：主樓三級，地下室二級，局部一級，抗震設防烈度6 度。項目總效果如圖1 所示。

圖1 項目總效果

2 高層框架剪力墻結構抗震設計的要點

2.1 結構的變形協調

剪力墻與框架均屬于獨立的抗側力結構，兩者在變形性質等方面存在差異，在使用過程中可能會出現局部單獨變形的情況。從位移量的角度看，普遍具有上部剪力墻的位移大于下部剪力墻位移的特點，而隨著位移量達到某限定值時，將影響框架結構頂部與剪力墻的使用狀態，如以剪切型曲線形式發生的變形。因此，設計高層框架剪力墻結構時，必須高度重視框架和剪力墻的變形協調性，在框架和剪力墻結構中尋求平衡點，協調好框架與剪力墻的受力變形關系。

2.2 結構的受力條件

傳統框架在位移量增加時往往伴有形變減慢的變化特點。剪力墻結構變形曲線與懸臂梁彎曲曲線高度一致，隨著位移量的增加，變形速度加大，在結構剛度的作用下，結構水平方向受力被等效分配。依托于樓蓋等相關附屬結構，將原本保持獨立狀態的框架和剪力墻有效結合于一體，使其共同承受源自建筑的水平荷載。在此方式下，結構受彎曲/剪切變形單獨影響的問題得到有效的解決，有利于對各樓層結構的位移量做針對性的控制，進而保證結構的安全性。在水平范圍內，框剪結構變形曲線呈反S 形，不同部位的剪力墻的狀態存在差異，其中，下部的形變量較小，承擔高層建筑絕大多數的水平向剪力，此方面也是框剪結構設計中需重點考慮的內容。

3 高層框架剪力墻結構抗震設計方法

3.1 機構控制

隨著建筑剪力墻數量的增加和剛度的提升，會對框架剪力墻結構的承載性能造成影響，較為直接的表現是在一定程度上削弱了框架剪力墻結構的形態控制力度。針對此特點，在高層框架剪力墻結構抗震設計中，宜通過計算在框架剪力墻結構合適的部位設置適量的塑性鉸裝置。在該配置方式下，若高層建筑使用期間受到地震能量的沖擊作用，框架剪力墻結構可進行耗能，減小外部能量對建筑結構穩定性所造成的不良影響。框架剪力墻結構如圖2 所示。

圖2 框架剪力墻結構

3.2 優化剪力墻的抗震性能

3.2.1 設計肢墻面積及具體形式

調整肢墻面積后，有利于提升結構的抗震性能。在抗震設計中，以保證建筑功能正常使用以及結構具有穩定性為基本前提，需對肢墻的結構形式進行優化，如采用雙肢墻、多肢墻。除此之外，應加大對結構洞口連梁與豎向施工縫的優化力度，在該處形成具有足夠穩定性的耗能機構。諸如前述措施的落實，均有助于預防建筑剪切破壞、過早屈服等異常狀況。

3.2.2 設置梁柱結構

在剪力墻周邊增設梁柱結構，可構成完整、穩定可靠的邊框剪力墻，有效抑制斜向裂縫的發展。建筑遇到地震災害時，邊框剪力墻在短時間內具有替代剪力墻結構的作用，可充分發揮在承載性能方面的優勢，有效抵抗附加剪應力，減小該部分應力對結構所造成的不良影響。

3.2.3 分散布置

綜合考慮剪力墻的數量、面積、尺寸、剛度，遵循分散設計的原則，有序將剪力墻規劃在特定的位置，使剪力墻構件均有足夠的安全距離。除此之外，根據剪力墻的布設方案選擇尺寸和數量均合適的抗側力構件，用于增強剪力墻的穩定性[1]。

3.3 優化框架結構的抗震性能

3.3.1 設置角柱

角柱是高層建筑框架剪力墻結構體系中不容或缺的部分，其具有連接橫、縱向框架的作用。從角柱的組成關系看，角柱的抗剪性能將直接對框架的整體性能造成影響，同時也關聯于框架剪力墻結構體系的抗震性。在具體的設計工作中，應高度注重角柱的強化處理，以可行的方法提高角柱的抗剪性能。落實此方面的工作后，可提高框架剪力墻結構的抗震性能。

3.3.2 設置鋼筋混凝土剪力墻板

受地震能量的沖擊作用，高層建筑的結構穩定狀態受到影響，可能有側向過度位移的情況。為保證結構的穩定性，設置適量鋼筋混凝土剪力板構件，通過此類裝置的應用，規避框架剪力墻結構剪力滯后的問題，切實提高結構的剛度。此時，當建筑受到地震能量沖擊作用后，高層框架剪力墻結構幾乎無側向位移，整體仍維持原狀。

3.3.3 設置贅余構件

在地震沖擊能量的作用下，高層框架剪力墻結構可能會產生共振效應，隨之破壞結構，使其受損、失穩。對此，可根據高層框架剪力墻結構的特點增設適量的贅余構件，防止共振效應的發生。例如，可采用偏交斜撐構件，用鋼管制作偏心連接支撐件，用鋼纖維混凝土制作折曲支撐件，不再采用軸邊耗能方式，取而代之的是更有利于維持結構穩定性的彎曲耗能方式。

3.4 優化結構整體的抗震性能

3.4.1 設置塑性鉸構件

在高層框剪結構的合適部位增設適量的塑性鉸構件，可以有效提高結構的形變控制力，從而取得較為良好的屈服效果。若建筑物受到地震能量的作用，塑性鉸構件將作為耗能機構使用，減小能量對框架剪力墻結構的不良影響，從而保證結構的穩定性與完整性[2]。

3.4.2 增強剛度和延性的一致性

框架與剪力墻各自在剛度、延性系數等多項力學指標方面均存在差異，發生地震災害后，各自的狀態不盡相同，難以有效協調各類構件，如易出現先后破壞的情況。因此，在設計時必須注重框架與剪力墻兩部分結構，采取合適的設計措施，提升兩者在剛度方面的協調性，使其在遇到地震沖擊作用時能夠具有同步性，共同抵御外部作用力，有效保證結構的穩定性。

3.4.3 控制剪力墻的數量

在高層框架剪力墻結構的組成中，隨著剪力墻數量的增加，其剛度與體積也相應變大，會對高層建筑結構自振周期造成影響（變小），若建筑遇到地震能量的沖擊，更易受到破壞，存在嚴重的危害。針對此問題，在高層框架剪力墻的設計中，需要控制好剪力墻的數量。具體而言，要在滿足結構正常使用的基礎上控制剪力墻的數量及剛度，使其穩定在許可范圍內。此時，適量的剪力墻可以發揮出應有的作用，連同框架結構共同受力，為高層建筑結構提供安全層面的保障。

3.5 框架的參數分析及抗震端的設置

在高層框架設計中，設計人員需密切關注各項工程信息，包含連梁跨高比、剛度與縱面墻長度等，通過對多項信息的全方位分析，評估框架設計的合理性，若存在不足之處，則及時予以調整。設計時，將長墻體劃分為適量的節段，墻體高度約為墻寬的2 倍，在墻體結構的兩端分別設置約束裝置，目的在于減小剪切變形量，從源頭上規避剪切破壞現象的發生。對于抗震端的設計，應當充分考慮其與框肢墻的界面高度差，為提高抗震端的抗震性能，需減小該高度差值，形成相均衡的狀態。除此之外，有必要詳細檢查抗震端底部的實際情況，若存在結構不完善、穩定性不足等問題，也應做針對性的優化[3]。

3.6 框架部分內力的調整

受水平地震作用，剪力墻還要承受較大的地震剪切力，框架結構雖然受力，但僅受小部分剪切力，換言之，水平地震作用所產生的剪切力主要由剪力墻承受。在整個抗震結構體系中，墻體是第1 道防線，其受損時間提前于框架。在剪力墻內部塑性發生改變后，地震的剪切力分布也隨之變化，框架部分所需承受的剪切力有所增加。在調整工作中，應根據計算的內力進行框架部分的抗震設計，且考慮到框架部分無法作為第2道防震線的特點，在適度的范圍內調節框架所采用的剪切力，由此提高框架的整體承受能力，使其具備足夠的抗側力，發揮框架第2 道防線的作用。內力的調整需得到充分的關注，樓板的橫向剛度分布狀態必須合理，即沿垂直方向以均勻的方式分布，按照該思路對樓板及相鄰層做適當的調整。

3.7 提升“一”字形墻肢的耐受力

“一”字形墻體也是房屋建筑中較為常見的結構形式，其通常被布設在房屋結構的中部，該類結構的側向承重能力極為有限，明顯加大了墻肢承載力的計算難度，可能會由于該部分設計不當而對房屋的整體使用情況造成影響。對于此局限性，在房屋建筑設計中應盡可能減少“一”字形墻肢的數量，非必要時不采用該類結構。此外，對該類墻肢的形狀加以優化也是可行的方法，即設置為L 形或T 形，此時其側向剛度有所提升，對于保證房屋結構的穩定性而言具有積極意義。

4 結語

綜上所述，在現階段的高層建筑結構組成中，框架剪力墻結構占據較大的比重，其充分發揮出框架和剪力墻各自的應用優勢。但設計中涉及框架與剪力墻的協調問題，作為設計人員，在抗震設計工作中應精準把握設計要點，采用行之有效的抗震設計方法，從數量、尺寸等方面做好框架與剪力墻結構的配置工作，構成穩定可靠的框剪結構體系，發揮出整體結構在抗震方面的性能優勢，保證建筑的正常使用。