浅析高层框架剪力墙结构设计研究分析

张雅静 李治国 吕东梅

摘要：框架剪力墙结构是高层建筑中的常用结构。本文从框架剪力墙结构设计的基本概念入手，分析了框架剪力墙的构造设计内容，包括抗震墙、剪跨比等的设计，并出混凝土结构中最常用的框架剪力墙结构设计的注意要点。

关键词：混凝土；框架剪力墙结构；高层建筑

1、框架剪力墙结构设计的基本概念

剪力墙是现代高层建筑中一项重要建筑内容，框架剪力墙的尺寸大小必须符合建筑规定，原则是尺寸较大但厚度必须较小，几何特征应该呈板状，受力接近于柱形。在剪力墙结构中，墙是平面构件，其承受力沿着平面作用的水平剪力和弯矩外，还必须考虑到竖向压力。在弯矩和轴力及剪力的共同作用下进行作业，其受力水平作用下可以看成了底部嵌固于基础上的悬臂深梁。在实际工程中剪力墙分为整体墙和联肢墙，整体墙就比方如一般房屋建筑的山墙或者鱼骨式结构片墙和小开洞墙。而联肢墙是由连梁联接起来的剪力墙，但是因为一般连梁的刚度要小于墙肢的刚度，所以，墙肢单独作用非常明显，连梁中部出现的反弯点要注意墙肢轴的压比限值。当剪力墙开洞过大时便形成宽梁、宽柱所组成的短墙肢，构件形成的两端带有刚域的变截面杆件，在内力作用下许多墙肢将出现反弯点，因此，计算和构造应该按照近似框架结构来考虑。总的说来，设计剪力墙时，应该根据各种墙体本身的特点，以及不同的受力特征和要求，墙体内力分布状态和破坏形态，全面具体地考虑设计配筋和构造措施。框架剪力墙结构设计是考虑了水平和竖直两个方向作用所进行的结构整体分析，所以求得内力后需按照偏压或偏拉进行正截面受力计算。

2、框架剪力墙的构造设计内容

框架墙结构就高层建筑而言，在实际工程中运用最多，抗震墙要有足够的数量以满足层间位移限值，位置相对灵活。抗震墙适合连续布置、全长贯通。在设计时应避免墙肢长度的突变以及洞口上下的不对齐。同时，洞边距柱的内侧应不小于300mm，以保证柱作为边缘构件的作用和约束边缘构件的长度。双向抗侧力的结构形式是使纵横墙相连，使彼此成为有缘的剪力墙。对于一、二级抗震框架剪力墙，连梁跨高比不宜大于5，且高度不小于400mm。柱中线与梁、墙中线不宜大于柱宽的1/4，以减少地震作用对柱的扭转效应，否则可以采取加强柱内配箍率的方法来弥补。如果剪力墙的剪跨比大于2，连梁的跨高比大于2.5，那么设计的剪压比不宜大于0.2，但如果剪力墙的剪跨比小于2，连梁的跨度比小于2.5，那么剪壓比不大于0.15。另一方面，框架剪力墙结构的底部加强区的设计范围应该不小于200mm且不小于层高的1/16，其他部位应不小于160mm且不小于层高的1/20，框架剪力墙结构的墙周围应设置梁或暗梁与端柱组成边框。剪力墙的水平分布能够起抗剪作用，这种设计中，当建筑物较高较长或为框剪结构时，配筋应该适当增加，特别是在梁部位或温度、刚度变化等敏感部位最好适当增加；这时还应该考虑到墙的竖向钢筋，因为它主要起抗弯作用，并且在一些多层剪力墙构造配筋时所取的配筋率一般不扣除约束边缘构件或构件边缘构件的钢筋。

3、受力特性分析

框-剪结构体系的工程应用表明，框-剪结构是框架和剪力墙两种结构的有机结合。剪力墙结构的位移曲线具有悬臂弯曲梁的特征，位移越往上增大越快，成外弯形开口曲线。而在框-剪结构中，框架和剪力墙之间通过平面内刚度无限大的楼盖连接在一起共同抵抗水平力，结构水平位移特征处于框架和剪力墙之间，为反S型曲线，是弯剪型。因此，在框-剪结构中，剪力墙在下部楼层变形小，承担了近80%以上的水平剪力，而在上部楼层，框架变形小，可以协助剪力墙工作，抵挡剪力墙的外拉变形，从而承受很大的水平剪力。所以，框-剪结构是框架和剪力墙两种结构水平变形的有机协调，从而达到减少结构变形，增强结构侧向刚度，提高结构抗震能力的目的，在结构设计中具有很强的适用性。

4、框架剪力墙构造的设计注意事项

4.1部分框架支的设计。对于抗震墙结构和部分框支抗震墙结构，若内纵墙很长，且连梁的跨高比小，刚度大，则墙的整体性好，在水平地震作用下，墙的剪切变形较大，墙肢的破坏高度可能超过底部加强部位的高度，因此将长墙分成墙段，使墙的高宽比大于2，墙段由墙肢和连梁组成。其目的是设置刚度和承载力较小的连梁（跨高比不小6的连粱），这样防止在地震作用下，先破坏连梁，使墙段成为抗侧力单元，且墙段以弯曲变形为主。

4.2抗震端的设计。抗震端和部分框支墙结构的墙肢截面长度沿高度不宜有太大出入和变化，一、二级抗震墙的底部加强区以及墙体洞口较大时，最好不要有错洞布置的剪力墙。

4.3框支层的设计。部分框支的抗震墙结构在地震作用时有可能将变形集中在框支层上，这样就应该首先加固框支层，使其牢固。一般地规范规定是，框支层的侧向刚度不应小于上一层非框支层的侧向刚度的50%。框支墙的水平地震剪力主要由落地剪力墙承担，所以要保证楼板有足够大的平面内刚度传递水平力。落地墙最大水平间距不宜大于24m。

4.4墙的竖向钢筋的设计。在框架剪力墙中，特别是高层的工程设计里面，竖向钢筋主要起到抗弯作用。高层建筑与底层不同，在目前一些多层低高层剪力墙中电算记过多为构造配筋，但配筋时所取的配筋率有的人往往扣除了约束边缘构件或构造边缘构件中的钢筋，但是高层建筑中的剪力墙设计不能这么做，这一点必须注意。

5、 框-剪结构在建筑中的应用思路

高层建筑是社会经济发展和科学技术进步的产物。城市人口集中，用地紧张以及商业竞争的激烈化，促进了高层建筑的出现和不断发展。在高层建筑结构设计中，水平荷载是设计的主要控制因素。分析水平荷载与结构体系的关系，根据建筑高度、尺寸和其他条件，选择经济而有效的结构类型和结构体系，便成为结构设计的首要问题。高层建筑的结构体系，主要有框架结构体系，剪力墙结构体系，框架-剪力墙结构体系（简称框剪结构体系），筒体结构体系和巨型（超级）结构体系等。这些体系的受力特点、抵抗水平荷载的能力、侧向刚度和抗震性能等都各有不同。框架结构侧向刚度差，抵抗水平荷载的能力较低，底部层间位移大容易引起非结构性破坏和次生灾害，对抗震不利，但它具有空间大，平面布置灵活，立面处理丰富等优点，而剪力墙结构则相反，抗侧力强度和刚度均很大，但平面布置不灵活，不适应大空间的要求。而框剪结构却有框架结构与剪力墙结构两者的优点，把两种结构体系结合起来，在同一结构单元中同时采用框架和剪力墙结构，共同承受竖向和水平荷载，起到了取长补短的作用，因而它广泛地应用于高层办公建筑，旅馆建筑等高层公共建筑中。

结语：文章首先从框架、剪力墙的受力特性开始，论述了影响剪力墙用量的因素，而后分析了剪力墙合理用量的确定方法，最后深度探讨了竖向荷载作用下框-剪结构的水平作用效应问题，相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

参考文献：

[1]赖海辉.刍议优化高层建筑剪力墙结构设计的措施[J].消费导刊，2009，（14）.

[2]刘林荣，何雅明.浅议高层建筑短肢剪力墙的设计[J].今日科苑，2008，（02）.

[3]张毅.高层结构中剪力墙的构造要求及原因分析[J].科技资讯，2010（2）：30～31，33.

[4]张旮，石中明.基于ETABS的某高层结构时程分析[J].工程建设与设计，2010（3）：20～22.

作者简介：张雅静（1982.02- ） 讲师/工程师 水工结构专业

李治国（1981.05- ） 讲师 机械设计专业

吕东梅（1980.01- ） 讲师/工程师 给水排水工程技术专业