关于框架加少量剪力墙结构抗震设计的探讨

崔海涛

【摘要】钢筋混凝土框架结构凭借自身的经济性、延展性等性能，在建设工程当中得到了广泛运用。然而，在实际运用过程中，介于部分框架结构体型较为特殊的影响，即便是经过科学计算，也难以满足相关规范对弹性层间位移角的实际需求，且位移比要求也难以满足。虽然利用增加梁柱截面面积的方式，大体上可以改善体系位移问题，但是所呈现出的经济性较差。如果此时在适当部位设置，数量较少的剪力墙结构，很容易加强对结构位移问题的控制力度。结合以往的经验来看，我国相关规范并未对加少量剪力墙框架结构问题予以明确规定，也并未对相关控制指标进行明确规定，导致施工设计、审查等工作无从下手。针对于此，文章主要结合工程实例，重点分析少量剪力墙结构在框架抗震设计中的具体问题，阐明具体应用情况，仅供参考。

【关键词】剪力墙结构;抗震设计;框架结构;少量

1、关于框架加少量剪力墙结构抗震设计问题的研究意义

自我国新规范实施以来，我们在施工图审查工作中常常会遇到下述问题，即框架结构布置会存在少量剪力墙结构的情况，而我们往往未对这部分剪力墙结构做出明确规定，导致频频出现隐患问题。究其原因，主要是因为某些纯框架在抗震计算过程中，层间位移角在限值规定方面，并未满足1/550的规定要求[1]。或者纯框架结构在抗震计算过程中，部分抗扭指标无法满足相关要求，又或者是扭转周期比往往超过预期限定的数值，导致结构刚度未达到预期要求。根据实践经验来看，部分施工人员针对这一情况，会故意将楼梯或者电梯中的混凝土筒设置成为加少量剪力墙结构的情况，以期可以尽量满足预期标准。

一般来说，加少量剪力墙的框架结构形式多可归类为多层建筑形式，很少会有高度超过规定数值的高层建筑形式。举例而言，某城市世贸商城项目，建筑总长397m、宽117m、高32m。在建筑形式上，为地上6层、地下2层。介于该建筑高度远远超过28m（规定值），整体上可以归类为高层建筑。工程抗震设防烈度为8度，纯框架结构形式[2]。为解决纯框架计算层间位移不达标的问题，工程人员选择利用加少量剪力墙结构的方式进行合理解决。又比如某市社区中心工程为单跨多层纯框架结构形式，抗震设防烈度与上述相等。经过多次修改与整顿，仍无法满足抗震计算标准。在无法增加柱子截面的前提下，工程人员选择在楼梯间处增加少量剪力墙结构，目的在于及时满足层间位移要求。

2、关于框架加少量剪力墙结构抗震设计问题的相关规范与建议

针对框架加少量剪力墙结构抗震设计问题，我国在《建筑抗震设计规范GB-50011-2001》中并无明确表示。只是在高层建筑混凝土结构技术规程中，简明扼要地提出在进行剪力墙结构抗震设计的时候，应该重点考虑剪力墙与框架之间的协同关系，避免出现隐患问题[3]。并明确提出对于剪力墙对结构产生较大刚度偏心作用的时候，可以采取适当的措施加以解决，如采取开洞等措施，目的在于降低剪力墙的作用效果。与此同时，适当增加与剪力墙之间相连接的柱子配筋数量。然而，这种方法治标不治本，对于层间位移角的控制问题并无明显效果，也并无明确规定或者比例，确定层间位移角的控制问题。

一般来说，剪力墙结构所承受的地震倾覆力矩应该严格控制在规定范围当中。倘若超出预期范围，剪力墙结构的受力特征、变形特征也会随之变化。以往规定在框架-剪力墙结构方面，并无明确限定，只是要求剪力墙结构所承担的地震倾覆力矩应该超过总地震倾覆力矩的一半[4]。根据实际情况来看，设计的剪力墙结构在能够承担总地震倾覆力矩的一半以上时，受力特征会相应减弱。如果剪力墙结构的受力特征进一步降低，其所承担的地震倾覆力矩会逐渐递减，从50%逐渐递减，此时框架受力特征会明显增强。当接近0时，基本上变换为纯框架受力特性。

经过多年的发展与实践，我国《建筑抗震设计规范（GB50011-2010）》针对少量剪力墙框架结构问题做出了相关表述。条款中明确指出少量剪力墙框架结构中的剪力墙抗震设计问题，与框架-剪力墙抗震构造措施存在显著区别，不可同一而论[5]。相关研究学者也明确指出，少量剪力墙框架结构中的剪力墙抗震等级问题可以根据工程实际情况，选择合适的框架抗震等级。即便是突遇强烈地震问题的时候，剪力墙结构虽受到刚度退化的影响，但是介于框架结构与剪力墙结构之间的既定关系，如塑性内力重分布关系，框架结构会充当抗侧力构件的作用，承担地震带来的不良影响。

3、關于框架加少量剪力墙结构抗震设计问题的实践应用分析

3.1 基本要求

一般来说，设置少量剪力墙并未从本质上改变以往的结构形式，在某些方面仍属于少量剪力墙框架结构形式，只不过要比普通的特殊一些。我国研究人员针对这一问题进行了多年研究，研究表明：框架结构布置少量剪力墙结构，框架结构必须作为结构主体部分。不管是在竖向荷载，还是抗侧刚度方面，均占据主导位置。介于剪力墙量较少的影响，且也不属于抗侧力结构部分，当受到地震影响较小的时候，剪力墙可以承担辅助性作用，为框架结构提供弹性刚度。

如此一来，设置的少量剪力墙框架结构能够有效满足规范要求，比如框架结构的弹性层间位移角要求，或者是位移比要求。需要注意的是，在实际应用过程中，应该利用刚度分配原则，确保剪力墙结构的塑性效果。即便是出现明显裂缝或者刚度退化问题，也会因为剪力墙结构的刚度特点，承担一定的抗震作用，避免出现严重的隐患问题。与此同时，工程人员需要立足于工程实际情况进行合理设置，确保框架加少量剪力墙结构抗震设计的合理性[6]。

3.2 基本原则

根据上述规定要求可知，布置少量剪力墙结构并未改变原来的结构体系内容，整体上还是属于框架结构形式。但是与普通纯框架结构形式明显不同，属于一种特殊的框架结构形式。区别在于框架为结构主导，承受竖向荷载作用力与抗侧力。在实际应用过程中，工程人员应该尽量满足框架结构的位移限值，目的在于确保结构所承担的侧向力准确无误。在结构分析过程中，除了按照既定的计算要求进行分析之外，设计过程应该根据承载力要求、弹性变形限值要求等内容，进行合理分析，与此同时，尽量根据遵守框架结构与剪力墙结构协同要求，进行反复计算，并实行合理的包络设计方案。

3.3 工程实例与应用分析

文章以某办公楼为框架结构进行分析。该办公楼主要设立5层，结构高度约为23.6m左右，抗震设防类别为丙类、抗震设防烈度为7度。在地震分组的设计方面为三类场地，具有一层结构与二层结构。在对该结构进行设计的过程中，相关人员提出两种方案进行合理比较。方案一：一层结构与二层结构布置普通框架梁柱;方案二：一层与二层的1轴、7轴楼梯间位置，布置少量剪力墙结构，其余部分和方案一相同[7]。

需要注意的是，方案一与方案二均以PKPM方式为主要电算方式。经过电算之后，工程人员得出基于不同工况下，层间位移角的计算结果。根据不同工况下层间位移与平均层间位移的计算结果，可以确定最大层间位移角。经过反复比较之后，增设剪力墙结构，最大层间位移角发生一定程度的降低，约为6%。调查原因，发现由于设置少量剪力墙结构，框架结构整体的抗侧刚度明显加强，且自身的抗震性能也得到明显加强，使得最大层间位移角明显减少。

而纯框架方案与少量剪力墙框架方案相比而言，最大层间位移与平均层间位移之间的比值存在明显不同。经过反复对比，设置少量剪力墙之后，最大位移比降低了近9%以上。一般来说，位移比与扭转效应之间存在明显既定关系，结构实际存在的扭转量经过少量剪力墙的作用，发生明显降低。再加上该工程属于长宽均比较大的长方形平面结构，如果长宽比超过预定范围时，结构扭转效应会发生明显变化[8]。

由此可以看出，工程采用纯框架结构不符合规范要求，结构的抗震性能会明显降低。且经过反复测验可知，在与该工程类似的工程当中，通过采用框架加少量剪力墙结构抗震设计方法，会明显加强框架结构整体的抗震性能，规避纯框架抗震性能不足的情况。需要注意的是，相关人员在实际运用过程中，必须立足于本工程实际情况，选择合理的抗震设计方案进行运用，不可照搬照抄，尽量防止因设计不合理而造成的不良问题。

3.4 配筋比较问题

以该工程第二层为例，针对方案二中剪力墙周边配筋结果，与方案一配筋结果进行综合比较，目的在于阐明二者之间的配筋比较问题。方案一的第二层混凝土构件在局部配筋问题方面，在设置剪力墙结构之后，剪力墙附件的框架柱在平面方向的配筋数量发生明显降低。出现这一问题的主要原因在于剪力墙自身平面具备的刚度较高，水平力要比一般情况大得多[9]。

综合比较两个方案的梁配筋数量问题，不难发现梁配筋变化规律存在一定的特定性，大体上与柱配筋变化规律差不多。根据这种两种方案配筋数量的不同，基本上也从侧面反映出少量剪力墙框架结构与纯框架结构在性能方面存在明显不同，必须针对具体情况进行分别计算，尤其是要重点设计包络计算方案，目的在于进一步提高框架结构的应用性能，防止出现隐患问题。

3.5 优化措施

为进一步确保框架加少量剪力墙结构抗震设计方案的合理性与科学性，我们需要明确少量剪力墙定量的设计原则。在实际设计过程中，必须以框架柱的地震倾覆弯矩比作为控制原点，根据框架到框架剪力墙的转变情况，及时分析并明确剪力墙具体设置数量以及控制要点。一般来说，这并不是一个突变的过程，而是经过工程人员反复测量与计算得出的结果，必须加以严格把控，防止出现质量隐患问题[10]。

与此同时，布置少量剪力墙框架结构的过程中，应该按照纯框架与框架-剪力墙结构形式，进行分别测量与计算，并实行包络设计，目的在于进一步确保建筑结构的质量安全，避免出现严重的隐患问题。需要注意的是，这种体系一般多适用于高度较大的结构当中，可以根据实际情况进行合理提高，但是不得超过框架与框架-剪力墙两者之间的高度差值，且抗震等级需要按照规定要求进行合理改善。如此一来，少量剪力墙框架结构的性能势必会得到进一步提升与加强。

除此之外，在少量剪力墙框架结构的设计方面，应该严格按照框架与剪力墙协同工作原则，做好全包络设计方案。经过多次实验，这种方案比较可取。对于框架-剪力墙结构计算问题，应该严格按照规范要求进行合理分析与确定，主要确定配筋数量。如果剪力墙在满足强剪弱弯的基础下，可以按照截面最大配筋率进行合理计算。这样做的主要目的在于严加控制好框架结构中的弹性位移距离与相关数值，确保剪力墙的承载力得以发挥，实现预期的应用价值。

结论：

根据文章的相关概述可知，在实际工程当中，通过运用少量剪力墙框架结构概念完成抗震设计方案，基本上可以有效掌握结构体系性能问题与结构布置问题。本人在分析工程实例的过程中，得出如下结论：

（1）少量剪力墙框架结构分析计算过程中，我们不仅需要考虑剪力墙结构与框架结构之间的协同性，还需要考虑按照纯框架结构进行准确计算，并结合上述两种情况，得出包络值，完成配筋设计方案。

（2）对于加少量剪力墙结构抗震设计问题，建议相关人员必须在合适的位置进行设置，如楼电梯等位置，适当设置少量剪力墙框架混凝土构件，并按照图纸设计要求，确保局部配筋的合理性。目的在于及时提高结构抗侧刚度，优化结构整体的抗震性能。

（3）对于今后少量剪力墙框架结构的研究方向，建议有关人员可以针对剪力墙框架结构层间位移角与刚度之间的关系进行合理分析，并将其合理运用到结构当中，完成分析工作。

参考文献：

[1]扈志恒.关于框架加少量剪力墙结构抗震设计的探讨[J].建筑结构，2014（03）：70-71.

[2]王红霞.关于框架加少量剪力墙结构抗震设计的探讨[J].山西建筑，2010（16）：78-79.

[3]卿科.剪力墙数量与空间位置对框架—剪力墙结构抗震性能影响的研究[D].湖南大学，2017.

[4]杨洁.少剪力墙框架结构的性能分析[D].天津大学，2010.

[5]殷磊.基于性能的剪力墙结构抗震设计方法研究[D].东南大学，2015.

[6]唐柏杰.低屈服点钢板剪力墙结构抗震性能评估[D].江苏科技大学，2016.

[7]杨少华.框架剪力墙结构基于性能的抗震设计方法研究[D].安徽建筑大学，2017.

[8]范值慎.高地震烈度区超高层剪力墙结构住宅的抗震性能设计研究[D].北京建筑大学，2015.

[9]陈晓祥.高层框架—剪力墙结构基于性能的抗震研究[D].天津大学，2010.

[10]张婷.基于性能剪力墙结构抗震評估与应用[D].河北工程大学，2013.