淺析高層框剪結構設計

孟振

河南省建筑設計研究院有限公司 河南省 450014

摘要：近年來隨著城市的發(fā)展高層公共建筑大量出現(xiàn)，高層公共建筑對建筑功能、公共空間及環(huán)境質量的要求日益提高，框架—剪力墻結構因既能為建筑的使用功能提供較大的平面空間，又具有較大的抗側力剛度和良好的抗震性能，而廣泛應用于高層辦公、酒店、公寓、實驗樓、病房綜合樓等公共建筑。本文結合工程實例，對框架—剪力墻結構受力特性和良好的抗震性能進行分析。

關鍵詞：框架—剪力墻結構；結構特性；混凝土強度；軸壓比

1.框架—剪力墻結構的結構特性

1.1 變形特點

框架—剪力墻結構由框架結構和剪力墻結構兩種不同的抗側力結構組成。剪力墻結構在側向水平力作用下相當于一個豎向懸臂彎曲構件，其頂點位移與高度的四次方呈正比例關系，變形呈彎曲型，樓層越高水平位移增長越快，樓層剪力在各道剪力墻之間按等效剛度比例進行分配；框架結構在水平力作用下的變形呈剪切型，樓層越高水平位移增長越慢，在純框架結構中，樓層剪力按框架柱的抗推剛度D值比例進行分配；框剪結構中框架和剪力墻通過平面內剛度無限大的樓板連接在一起，在水平力作用下，使它們水平位移協(xié)調一致，不能各自自由變形，在不考慮扭轉影響的情況下，在同一樓層的水平位移必須相同，所以框剪結構在水平力作用下的變形曲線呈反“S”型的彎剪型位移曲線?？蚣艚Y構中層間位移最大值通常發(fā)生在（0.4～0.8）H范圍的樓層。

均布荷載下：

倒三角荷載下：

式中：H—總高度；

EI—彎曲剛度

1.2 受力特點

框剪結構中的剪力墻側向剛度比框架的側向剛度大得多，在水平力作用下，由于框架與剪力墻協(xié)同工作，在下部樓層，因剪力墻變形小，它約束框架變形因而使剪力墻承擔了大部分剪力；相反，在上部樓層剪力墻位移越來越大，而框架的變形反而越來越小，所以框架除了負擔本身水平位移作用下的那部分剪力之外還負擔拉回剪力墻變形的附加剪力，因此在上部樓層即使水平力產生的樓層剪力很小，框架承擔的剪力也是不容忽視的?？蚣艚Y構在側向力作用下，框架與剪力墻之間樓層剪力的分配比例和框架各樓層剪力分布情況是隨著樓層高度的變化而變化，并與結構剛度特征值λ直接相關。

1.3抗震設計

高層框剪結構中，剪力墻剛度往往比框架的剛度大很多，水平力將主要由剪力墻承擔。結構剛度過小，會因結構產生過大的變形而無法滿足計算和正常使用要求；結構剛度過大，則自振周期相應減小，地震作用相應增大，從經(jīng)濟上造成不必要的浪費。因此，剪力墻的合理配置是結構抗震性能與經(jīng)濟合理性的關鍵問題。

2.框架—剪力墻結構設計實例

2.1 醫(yī)院病房綜合樓

某市中醫(yī)院病房綜合樓樓長60.7m，寬22.3m，地上二十層（第五層為手術室設備夾層），地下兩層，周邊地下車庫一層。地下二層層高為5.8m，地下一層層高為5.8m，一層和四層層高為4.5m，設備夾層層高為3.0m，其余層層高均為3.8m；室內外高差為0.3m，建筑物總高度76.90m，標準層總長度60.7m，總寬度為22.30m?？拐鹪O防烈度為6度，設計基本加速度為0.05g，設計地震分組為第一組。

主樓為A級高度現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架—剪力墻結構，建筑抗震設防類別為重點設防類。鋼筋混凝土結構抗震等級：主樓和地下一層車庫為框架二級，剪力墻二級；主樓地下二層為框架三級，剪力墻三級。根據(jù)《動參數(shù)報告》確定的地震影響系數(shù)曲線低于規(guī)范規(guī)定的系數(shù)曲線。主樓基礎采用筏板基礎，地基采用φ600 CFG樁復合地基進行處理。

高層框架—剪力墻結構建模前要根據(jù)建筑功能整理好各房間面層荷載和活荷載，建模時一般每4～5層取為一個標準層，同一個標準層結構布置相同，墻柱截面尺寸主要由軸壓比控制，最上邊標準層柱截面一般取600*600，砼強度C30，往下根據(jù)軸壓比靈活調整，每個標準層砼強度可遞增1～2個等級，截面增加以100為模數(shù)；與墻相連的短肢剪力墻易軸壓比超限，但考慮建筑功能限制及結果經(jīng)濟性分析，與柱相連的短肢剪力墻和與其相連的端柱混凝土強度等級可與同層框架柱相同，但較長剪力墻采用強度較高混凝土時容易產生裂縫，故長墻混凝土強度不宜高于C40，框架柱混凝土強度；邊軸線上柱子寬度影響立面窗戶時可做成扁柱，保持上下層柱寬度一致；公建因建筑功能限制框架梁不能加腋時，與之相連的框架柱應采取有效加強措施。

本工程車庫筏板基礎與主樓筏板基礎所處標高相差一層，中間用600厚現(xiàn)澆混凝土墻連接；本工程第4層為手術室，第5層為手術室用的設備夾層，手術室層層高相對較大，設備夾層層高一般較小，此處易形成薄弱層，一般可采取增加夾層層高或加大手術室層墻柱截面來調節(jié)上下層剛度比。

2.1某公寓樓

某項目2#樓總高度98.900m，標準層總長度55.80m，總寬度為23.40m。地下三層，地上三十層，一～四層為商業(yè)，四層以上均為公寓?？拐鹪O防烈度為6度，設計基本加速度為0.05g，設計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類。

本工程為A級高度現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結構，地基采用天然地基，基礎型式為筏板基礎?？拐鸬燃墸汗ⅲ喝墸虡I(yè)：二級。

本樓剪力墻布置受限于上下層建筑功能不同，造成多處不能布置較長的剪力墻。該樓裙房四層，主樓在四層頂處收縮2跨，收縮超過25%，屬于豎向突變，裙房屋面板厚采用120mm，配筋雙層雙向；框架柱和端柱的箍筋在此兩層沿柱全高加密；裙房與主樓相連，主樓結構在裙房頂板對應的上下各一層受剛度與承載力突變影響較大，考慮強柱弱梁的概念設計，加大柱延性，按提高半度的要求控制軸壓比限值：二級框架柱按0.8控制，二級、三級剪力墻按0.55控制，對裙房頂板對應的相鄰上下各一層采取以上加強構造措施。本工程結構自振周期3.57s，處于反應譜的位移控制段（自振周期大于特征周期的5倍，小于6秒），計算時強、弱軸方向動位移系數(shù)比例改為1，各樓層均需乘以增大系數(shù)。

2.2某酒店

某項目7#樓建筑高度為57.9m，平面長度為41.4m，寬度為36.85m。地下兩層，地上十六層，裙房兩層，標準層平面為L形；地下二層為地下汽車庫及設備用房，地下一層為酒店廚房、員工餐廳及設備用房，一層為酒店配套用房及商鋪，二層快捷酒店餐廳及配套辦公用房，三層至十二層為快捷酒店，十三層至十六層為產權式酒店，屋頂塔樓為電梯機房。地下二層層高3.6m，地下一層層高6.4m，地上一層層高為4.8m，二層層高為4.0m，三～十二層層層高為3.6m，十三～十六層層高為3.2m，塔樓層高4.5m，室內外高差0.30m；抗震設防烈度為7度，設計基本加速度為0.15g，設計地震分組為第二組，建筑場地類別為Ⅲ類。

本工程平面為L形，建設方要求走廊吊頂后凈高至少2.4米，包括上層層高3.2米的產權式酒店，下部層高3.6米的快捷酒店走廊內梁高600mm，上部3層高3.1米的快捷酒店走廊內梁高控制在400mm；核心筒位于L形內轉角部位。根據(jù)建設方要求只能設置3排柱網(wǎng)，由此本工程布置了較多的帶邊框剪力墻來減小梁跨度，帶邊框剪力墻上應設置暗梁，梁高可與相連的框架梁相同也可取墻厚的2倍。

3.結語

框架-剪力墻結構計算指標時，往往要通過逐步增加或者減少剪力墻來調節(jié)各項指標，通過微調對比結果來確定合適的剪力墻數(shù)量和位置；適當減小梁高可以減弱剛度，以此可以框架調節(jié)吸收的地震力，能夠合理的控制成本。

參考文獻：

[1] 《混凝土結構設計規(guī)范 》（GB 50010-2010）

[2] 《建筑抗震設計規(guī)范 》（GB 50011-2010）

[3] 《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程 》（JGJ 3-2010）