对建筑框架剪力墙结构设计合理配置分析

关键词：建筑工程；框架剪力墙；结构设计；箍筋配箍特征值 

　　1 框架剪力墙中剪力墙的合理配置 

　　根据国内外遭受到地震后展开调查所得到的数据，得到了一些经验。日本采用平均压应力-墙面积表示法来分析，其中平均压应力σ= G/（AC+ AW），G为楼层重量，AC，AW分别为框架柱及剪力墙的面积。国内根据已建的大量框架- 剪力墙结构，提出底层结构截面面积AC+AW与楼面面积Af之比及AW与楼面面积Af之比（ 见表1），供设计参考。 

　　剪力墙设置是否合理的计算标准主要根据结构在风荷载和地震荷载作用下的位移比、位移角，地震作用下结构的振型曲线、自振周期、结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比、结构薄弱层判断及风荷载和地震作用下建筑物底部剪力和总弯矩是否在合理范围内。 

　　2 工程案例 

　　某建筑物总建筑面积20000m2。其中，地上部分建筑面积18880m2，共16层，带5层裙房和一层设备转换层，建筑高度68.8m，地下部分建筑面积1161m2，共1层。结构体系为框架-剪力墙结构，抗震设防烈度7°，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震为第二组，II类场地，设计特征周期为0.4s，风荷载按100年一遇风压取值为0.45kN/m2，雪压取值为0.35kN/m2。 

　　在框架剪力墙设计中，剪力墙的平面布置要遵循以下几点原则：均匀、分散、对称、周边等。每片剪力墙刚度不要太大，连续尺寸不要太长，每一片墙肢的弯曲刚度适中，不会因为个别墙肢的局部破坏而影响整体的抗侧力性能。刚度愈大的墙肢吸收的荷载也愈大，所以考虑墙肢开洞来减轻墙肢的刚度集中问题。剪力墙布置在平面形状变化处，如角隅、端角，因为凹凸角部位是应力集中处，宜设置剪力墙加强。同时电梯间、楼梯间楼面开洞严重地削弱楼板刚度，所以不能保证框架与剪力墙协同工作，需要设置剪力墙来加强。平面图中3轴与A轴处建筑平面布置不允许布置剪力墙，故在4轴与A轴处布置剪力墙。同时为防止墙肢刚度过大而吸收大量的地震力而破坏，在较长的剪力墙中开设洞口，将其分成长度较为均匀的若干墙段，墙肢之间采用连梁连接，使每片剪力墙的弯曲刚度适中，不会出现个别墙的受力太集中而引起破坏。本设计中，主楼楼层面积Af为1050m2，剪力墙面积AW为18.50m2，框架柱面积AC为14m2，AW /Af=1.76%，（AC+AW）/Af=3.09%。 

　　设计中对扭转效应的控制采取了一些措施： ①由于主楼标准层凸出部分大于平面总宽度的30%，故将该凸出部位板厚加厚至150mm，并在计算时设为弹性楼板；②设备层层高低，其刚度虽大于相邻上部楼层侧向刚度的70%，但刚度相对其相邻层还是比较薄弱，故将设备层及其相邻的上下层强制设为薄弱层，加强该处的竖向构件；③采取措施使各楼层的刚心、质心的偏心距控制在0.15以内，主楼与裙房屋面的质心、刚心偏心距小于建筑相应边长的20%；④在裙房的一侧合理布置剪力墙；⑤对框架柱倾覆弯矩及楼层框架总剪力进行调整，主楼的底部总剪力为裙房屋面的总剪力。模型经过调整，对计算结果进行分析判断，确认后作为工程设计依据。 

　　3 提高框架柱及剪力墙轴压比措施 

　　轴压比主要为控制结构的延性，框架结构的缺点是侧向刚度小，当层次较多时，全产生过大的侧移，易引起非结构性构件破坏而影响使用，但它具有平面布局灵活，可形成较大建筑空间的优点，为了保留这个优点，同时又提高其侧向刚度，便产生了框架剪力墙结构，这个结构主要特点是在保留框架结构优点的基础上由于增设了抵抗剪力的剪力墙，从而大大地增加了其侧身刚度，在这个结构体系中剪力墙承担了80%的以上的水平荷载，而其中的框架仅承担了约20%，这与框架结构中不管什么方向的荷载均由框架全部承担的情况是不同的，因此，我们可以看出，当建筑高度、设防烈度、建筑重要性类别、基底类别等均相同的情况下，对框架结构中的框架要求要比框剪结构中框架的要求等级要高得多，随着轴压比的增大，结构的延性越来越差，对高层建筑抗震十分不利。本工程在进行初步设计时，提出当地混凝土搅拌站无法保证C40以上混凝土施工质量，混凝土最高强度等级为C40。根据规范规定，二级框架-剪力墙结构框架柱轴压比为0.85，若按框架柱轴压比为0.85设计，框架柱的截面面积很大，影响建筑平面布局。故框架柱采取规范提出的构造措施提高柱轴压比限值至0.90设计。底部加强区剪力墙厚度为350mm，混凝土强度等级为C40，能够满足设计要求。 

　　分析表明，即使高宽比为1.0的低剪力墙，同样可具有良好的延性性能。相关专业人员对4片箍筋配箍特征值为0.1208～0.1502 的剪力墙试件进行了反复水平荷载作用下的抗震性能试验。研究剪力墙约束边缘构件配箍率、位移延性比、剪力墙高宽比等因素对剪力墙轴压比限值的影响，并给出满足具体延性需求、对应不同约束边缘构件配箍特征值的剪力墙轴压比限值。 

　　4 框架剪力墙中连梁设计 

　　框架剪力墙结构中框架与剪力墙、剪力墙与剪力墙的连接方式有铰结与刚结两种。铰结为通过楼板连接来保证剪力墙与框架协同工作，刚结为通过连梁连接来保证剪力墙与框架协同工作。 

　　剪力墙承受的地震楼层剪力，A.单片剪力墙底部承担的水平剪力不宜超过结构底部总水平剪力的40% B.各楼层每道剪力墙承受的水平地震剪力不宜超过该楼层总剪力的30%C.各楼层每道剪力墙承受的水平剪力不宜超过该楼层总剪力的50%D.各楼层每道剪力墙承受的地震楼层剪力，不超过该楼层总地震剪力的1/3。当结构遭受小于其设防烈度的多遇地震时，整个结构处于弹性工作阶段。当遭受高于其设防烈度的罕遇地震时，连梁形成塑性铰消耗地震能量，结构刚度降低，自振周期加大，地震力降低，减轻结构破坏。连梁破坏有脆性的剪切破坏和延性的弯曲破坏，设计时应尽量避免连梁发生剪切破坏，让连梁先屈服，形成塑性铰。连梁设计时可以考虑以下措施： 

　　（1） 对连梁的刚度进行折减，既保证了塑性铰出现在连梁上，又减少其内力，满足结构设计要求。高层建筑混凝土结构技术规程5.2.1规定，在内力与位移计算中，抗震设计的框架-剪力墙或剪力墙结构中的连梁可予以折减，折减系数不宜小于0.5。结构设计中，连梁折减系数一般取0.7。 

　　（2） 若连梁刚度折减后内力还是过大，截面设计困难，可在连梁截面高度的中间开设水平通缝。 

　　（3） 为保证连梁的延性，设计时应做到“强墙（柱） 弱梁”，“强剪弱弯”，截面尺寸应符合规范设计要求。 

　　（4） 不宜将楼面主梁支承在连梁上。 

　　5 结语 

　　上综所述，说明了如何对剪力墙结构进行合理选型以及优化布置就显得非常重要。设计人员只有熟练掌握规范，具有明确的结构概念，根据结构受力的特点和破坏机理，充分利用剪力墙结构的优点，合理选择结构布置形式，掌握正确计算分析方法，结合工程的实际背景进行设计，才能做出安全适用、技术先进、经济合理的作品。