框架剪力墻結構在化工行業建筑中的應用

常夢宇

（天津渤化工程有限公司，天津 300193）

1 概述

現在我國在建筑物規模體量上的增大和建筑高度的逐步增高，導致現代建筑結構設計遇到的困難和問題越來越多。 建筑結構的設計和施工中不能在實際操作中有任何的失誤和偏差，否則就會給整個建筑的安全帶來很大的問題。 框架-剪力墻結構在實際應用中具有抗震性能好、抗側剛度大與側向位移小等特點，使建筑在今后的使用比其他的建筑形式更具有穩定性和安全性，并且可以降低現場施工中的成本費用。 本文分析了框架-剪力墻的概念和特性，對框架-剪力墻在化工行業廠區建設中的設計和施工進行了簡要的解析。

1.1 框架-剪力墻結構概述

剪力墻就是在建筑內的隔墻或者外墻的地方布置一道強度較高的鋼筋混凝土墻。 剪力墻對本體建筑物只產生重力的影響，但可以承擔建筑中所產生的水平剪力和彎矩，因為這些墻體的設計目的主要是為了承擔房屋或構筑物因大風或地震所引起的水平方向的力， 所以被稱為剪力墻。 框架-剪力墻的設計方式是指在普通的框架結構中設置一定數量的鋼筋混凝土墻而形成的一種混合型的雙重結構體系，這樣設計可以有效地控制建筑受到的水平力。 在建筑設計中采用這種組合型的結構，建筑的性能不僅會具有剪力墻結構抗剪性強的優點，也會帶有普通框架結構靈活性高的優勢，使用這種方法進行設計建筑內部結構可以更好地承擔起本身內部的應力荷載[1]。鋼筋混凝土是用作制造框架剪力墻的主要材料，這使它的承載能力顯著提高，并給建筑內部空間帶來了穩定性， 使結構的整體呈剛硬性的特點，建筑的抗震性能也得到了顯著提升。 在高層建筑中加入框架-剪力墻結構， 既能滿足大型化工廠區員工的辦公需求， 又節省辦公區域占地面積，也可以使內部結構更加方正，還為業主室內裝修提供了便利，從而滿足對于業主不同房間功能性的要求。

1.2 框架-剪力墻結構與框架結構的區別

1.2.1 結構形式不同

1）框架-剪力墻結構屬于剪彎型變形。 對于框剪結構， 由于兩種結構協同工作變形協調，形成了彎剪變形，從而減小了層間相對位移比和頂點位移比，提高了結構的側向剛度。

2）框架結構的變形則是剪切型，上部層間相對變形小，下部層間相對變形大。 剪力墻結構的變形為彎曲型，上部層間相對變形大，下部層間相對變形小。

1.2.2 受力特點不同

由于框架-剪力墻結構中的剪力墻側向剛度比框架的側向剛度大得多， 在水平荷載作用下，一般情況下，約80%以上用剪力墻來承擔。 因此，使框架結構在水平荷載作用下所分配的樓層剪力，沿高度分布比樣均勻，各層梁柱的彎矩比較接近，有利于減小梁柱規格，便于施工。

2 框架-剪力墻結構的設計要點

2.1 框架-剪力墻結構在實際設計中的布置原則

2.1.1 最大適用高度

抗震設防烈度為6 度的地區，建筑最大適用高度為130m; 在抗震設防烈度為7 度的地區，建筑最大適用高度為120m；在抗震設防烈度為8 度（0.2g）的地區，建筑最大適用高度為100m；在抗震設防烈度為8 度（0.3g）的地區，建筑最大適用高度為80m；在抗震設防烈度為9 度的地區，建筑最大適用高度為50m。

2.1.2 確定房屋抗震等級

抗震設防烈度為6 度且建筑高度小于等于60m 時，框架抗震等級取四級，剪力墻抗震等級取三級； 抗震設防烈度為6 度且建筑高度大于60m 時，框架抗震等級取三級，剪力墻抗震等級取三級；抗震設防烈度為7 度且建筑高度小于等于24m 時，框架抗震等級取四級，剪力墻抗震等級取三級； 抗震設防烈度為7 度且建筑高度25～60m 之間時，框架抗震等級取三級，剪力墻抗震等級取二級；抗震設防烈度為7 度且建筑高度大于60m 時，框架抗震等級取二級，剪力墻抗震等級取二級；抗震設防烈度為8 度且建筑高度小于等于24m 時，框架抗震等級取三級，剪力墻抗震等級取二級； 抗震設防烈度為8 度且建筑高度25～60m 之間時，框架抗震等級取二級，剪力墻抗震等級取一級；抗震設防烈度為8 度且建筑高度大于60m 時，框架抗震等級取一級，剪力墻抗震等級取一級；抗震設防烈度為9 度且建筑高度小于等于24m 時，框架抗震等級取二級，剪力墻抗震等級取一級； 抗震設防烈度為9 度且建筑高度25～60m 之間時，框架抗震等級取一級，剪力墻抗震等級取一級。

2.1.3 在建筑物內部應采用雙向布置

在建筑內部應該設置不同方向的剪力墻，一般為橫豎雙向布置，從而避免剪力墻單向結構布置導致建筑物整體結構重心單側偏移。 當剪力墻按兩個方向布置并相互連接時，縱墻可作為橫墻的翼緣，從而提高建筑在實際使用中承受各個方向的內力強度。

2.1.4 外墻開洞應采用拉通對直

拉通對直是指在設計建筑開孔時，其中窗戶及門等洞口上下對齊，在建筑物整體上形成了明確的連梁與各層墻肢之間的受力明確直觀，并且可以在設計工作中使計算變得簡單明確減少錯誤。 摩擦剪力墻和疊加錯層墻不利于抗震，所以在日常設計中要盡量的避免此類設計。

2.1.5 豎向貫通

剪力墻應垂直放置于建筑物的內部并豎向貫通整個建筑高度，墻壁厚度和混凝土等級應該在建設中隨建筑物的高度及規模進行具體的調整， 具體操作可以減少部分墻肢來達到設計要求。 避免各層剛度發生變化整體上不統一，導致建筑物內部應力集中作用于結構中其中的某一點，從而導致建筑結構發生損壞和坍塌。

2.1.6 設計時要避免建筑物內部應力過大從而產生裂縫

因為建筑物結構主梁直接布置在承載剪力墻之間的連梁上，這樣的強大的承載力有可能會導致樓面主梁端部約束達不到要求，從而使連梁本身剪切力受到的應變較大，所以不要這樣進行設計及施工，否則容易出現建筑結構本身出現裂縫的現象。

總結：在我國施工標準中規定，獨立墻的總高度與各截面高度的比值不得小于2 這個數值。在即將施行的新規范中對荷載取值以及荷載分項系數進行了修改， 并且設計時要了解剪力墻在建筑中受力和抗力的要點， 剪力墻結構的設計及施工應該參照上方所述的幾個設計要點， 已達到減少建筑物在日常使用中發生結構性損壞的目的。

2.2 框架-剪力墻結構的連梁鋼筋配置

2.2.1 剪力墻墻身豎向鋼筋

首層的墻身縱筋長度等于墻身內的基礎插筋（由基礎厚度的不同可分為兩種情況）加上首層層高再加上伸入上層部分墻體內鋼筋的搭接長度（搭接的長度取決于建筑物內鋼筋的機械連接方式）[2]。

1）當基礎厚度大于lae 時，基礎插筋長度=lae+Max{6d，150}。

2）當基礎厚度小于lae 時，基礎插筋長度=基礎厚度-保護層+15d。

A. 中間層墻身豎向鋼筋長度=本層層高-露出本層的高度+伸出本層樓面外露的長度+與上層鋼筋連接部分。

B. 頂層墻身豎向的鋼筋長度=本層層高-露出本層的高度-板厚+頂層錨固長度。

墻身豎向鋼筋根數=剪力墻凈長/間距+1 （墻身豎向鋼筋從暗柱、端柱邊50mm 開始布置）。

C. 當剪力墻墻身有洞口時， 墻身豎向筋會在洞口上下兩邊截斷，分別橫向彎折15d。

2.2.2 剪力墻墻身拉筋

1）剪力墻墻身拉筋長度=剪力墻墻厚-剪力墻外側保護層+剪力墻內部鋼筋彎鉤（彎鉤長度=2×11.9d+2×d）

2）剪力墻墻身拉筋根數=剪力墻墻身墻凈面積/剪力墻墻身拉筋的布置面積

2.3 框架-剪力墻結構在使用PKPM 的設計范例

2.3.1 在計算機中使用PKPM 建模時， 按照軸線尺寸、設計信息以及荷載輸入建模，其中因為將樓梯窗放置于樓板中間位置外部會比較美觀，但是在結構設計中按普通的開洞方式設置剪力墻及計算會有很多不便， 所以我們在此類設計中可以先把樓梯窗的洞口分成上下兩塊， 洞口對齊置于樓板上下兩側， 這樣的話組裝在一起就可以形成樓梯的窗洞， 從而減少結構設計中計算的難度[3]。

2.3.2 剪力墻連梁可以用兩種布置方式進行設計，可以分為輸入普通梁方式和開洞方式。 其中按普通梁輸入布置，梁間荷載布置較方便，但兩端需添加節點導致不便， 采用挖洞方式的話，不需要添加節點，但添加荷載時較不便。 在實際設計中選用哪種布置方式進行設計可以看剪切變形的具體變化。 剪切變形的變化大，在實際設計中可以采用開洞方式，剪切變形的變化小，在實際設計中則可以采用輸入梁方式。 具體數值可參考連梁的跨高比來進行選擇。 跨高比＞5，可以選擇輸入梁方式進行設計，如果跨高比≤5，則選擇開洞方式進行設計。 目前軟件還不能修改單個剪力墻的計算規則，如果某剪力墻與其他剪力墻計算規則不同時，只能手工計算相差部分在表格里輸入。 剪力墻的軸力也是要整體分析才能準確知道的，軸力都不知道前怎么算軸壓比？ 墻肢的長短要看整體分析的側剛分布狀況來進行調整的，不是根據軸壓比和配筋來定墻肢的長短的。

2.3.3 在剪力墻上設置挑梁，1）順著剪力墻在剪力墻端向外伸出的。 挑梁的縱向鋼筋可順著剪力墻直錨，不宜彎錨進剪力墻的邊緣暗柱；2）垂直于剪力墻在剪力墻端向外伸出的又有兩種可能，①挑梁的縱向鋼筋可彎錨進剪力墻的邊緣端柱（不可以是剪力墻的邊緣暗柱）；②挑梁是框架梁的外伸懸挑， 此框架梁以剪力墻的邊緣端柱作為端支座，此時，挑梁的縱向鋼筋應拉通框架梁支座負筋，不應彎錨進剪力墻的邊緣端柱。 關于錨固長度的計算，一樣服從規范關于受拉鋼筋錨固的規定，沒有例外，即直錨LaE、彎錨≥0.4LaE 加上15d。 其中，LaE 查11G101-1 第53 頁表； d 為縱筋直徑。

3 框架-剪力墻結構應用于化工行業建筑中優缺點

框架-剪力墻結構可以使空間使用更加靈活，能夠滿足不同建筑功能的要求，并且它的剪力墻又具有相當大的剛度，有效的結合了框架結構和剪力墻結構的優點，是兩種結構的互補。 剪力墻在下層結構中的位移較小，剪力墻承受大部分的水平力，然而在上層結構中，剪力墻位移偏大，而框架的位移則有內收的趨勢，框架部分除了負擔荷載產生的水平力外，還額外負擔了把剪力拉回來的附加水平力，剪力墻不但不承受荷載產生的水平力，還因為給框架一個附加水平力而承受負剪力，所以，上層結構即使外荷載產生的樓層剪力很小，框架中也出現相當大的剪力[4]。 框架-剪力墻結構中的剪力墻可以單獨設置， 也可以利用電梯井、樓梯間、管道井等墻體。 框架-剪力墻結構能夠更有效合理的靈活利用使用空間，滿足業主不同使用需求， 最大化的利用空間結構，因此更適用于大型化工廠區中的高層辦公樓等建筑。

4 結語

近年來， 隨著全世界科學技術的飛速發展，人們對科學技術的認識越來越深刻。 在新材料、新算法等設計的不斷更新變化中， 框架-剪力墻結構由于其柔性穩定、整體性好、抗側剛度大、抗側力性能好等特點，可以有效靈活地改善建筑物內部空間的利用，提高建筑物的承載能力，更有效地保證建筑物的安全， 框架-剪力墻結構的施工技術是目前實際設計中采用的最廣泛的結構方式之一。 然而從實際的工程建設現狀來看，還存在許多問題和不足，還有許多實際性、操作性難題有待解決。 本文僅簡述了在實際設計時，所需要的某些注意事項及設計方式方法，為在現實設計中提供簡要的思路及設計方向。