框架剪力墻結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)性能及經(jīng)濟(jì)性比較

張偉

【摘 要】框架剪力墻結(jié)構(gòu)（以下簡稱：框剪結(jié)構(gòu)）體系是框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)的有機(jī)結(jié)合。框剪結(jié)構(gòu)體系既可以靈活布置滿足大跨度空間的需要，又有較大的剛度，而且能節(jié)省工程造價。針對框剪結(jié)構(gòu)所具備的這些特點(diǎn)，從框剪結(jié)構(gòu)體系的受力特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行分析，對框剪結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)越性進(jìn)行論述。

【關(guān)鍵詞】框架結(jié)構(gòu)；剪力墻；經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)；優(yōu)越性

在現(xiàn)代，框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于各種建筑設(shè)計中。選用框架結(jié)構(gòu)，建筑平面布置靈活，能獲得較大跨度的空間。但在某些情況下，框架結(jié)構(gòu)也存在自身的不足，為了獲得較大跨度的空間，這就要求增大結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸來獲得必要的結(jié)構(gòu)剛度，以及選用高強(qiáng)度的鋼筋和混凝土。這不僅增加了工程的造價，而且結(jié)構(gòu)尺寸過大也會影響建筑的使用和美觀。針對這些問題，我們可以嘗試在框架結(jié)構(gòu)中插入適量的剪力墻，改善結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。

使設(shè)計師既能靈活自由的布置使用空間，滿足不同建筑的功能要求；同時又有剪力墻提供足夠的剛度，形成框架和剪力墻共同受力的結(jié)構(gòu)體系。針對框剪結(jié)構(gòu)所具有的優(yōu)越性，我們來做一個框剪和框架兩種結(jié)構(gòu)體系性能的比較。

1設(shè)計計算：

本設(shè)計主體十二層（建筑長72.6m，寬24.0m，底層層高4.0m，標(biāo)準(zhǔn)層3.5m，總高度42.5m，混凝土強(qiáng)度等級為C40，鋼筋為HPB335二級鋼，荷載相同）

框架結(jié)構(gòu)體系中，框架抗震等級為二級，一、二層框架柱尺寸700mm×700mm，三～五層650mm×650mm，六～八層600mm×600mm，九層以上500mm×500mm。

框架結(jié)構(gòu)體系柱布置圖

框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系中，一～四層框架柱尺寸600mm×600mm，五層以上500mm×500mm。剪力墻底層厚250mm，其他層200mm。剪力墻一般按照“均勻、對稱、分散、周邊”的原則布置。

框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系柱、剪力墻布置圖

2結(jié)構(gòu)抗震和材料比較：

在使用SATWE結(jié)構(gòu)計算軟件計算的過程中，我們得出了兩種結(jié)構(gòu)體系在地震力作用下的位移、周期、地震力、振型，及純框架結(jié)構(gòu)體系和框剪結(jié)構(gòu)體系框架柱地震傾覆彎矩百分比。所得的數(shù)據(jù)如下：

2.1位移計算分析

框架結(jié)構(gòu)SATWE位移輸出文件

X方向最大值層間位移角：1/1279.Y方向最大值層間位移角：1/1092.

框剪結(jié)構(gòu)SATWE位移輸出文件

X方向最大值層間位移角：1/1989.Y方向最大值層間位移角：1/1938.

比較分析，在地震作用下框剪結(jié)構(gòu)體系X、Y方向最大值層間位移角比純框架結(jié)構(gòu)體系的最大值層間位移角要小。經(jīng)過比較結(jié)果不難看出，框剪結(jié)構(gòu)體系整體剛度較純框架結(jié)構(gòu)體系的剛度要大，性能優(yōu)于純框架結(jié)構(gòu)體系。

2.2周期、地震力與振型的比較

2.2.1純框架結(jié)構(gòu)體系

2.2.1.1周期、地震力與振型輸出文件（取15個震型分析、側(cè)剛分析方法），地震作用最大的方向=0.003（度）。在設(shè)計中，每三個震型為一組，第二組震型的周期與第一組震型的周期比值在1/3～1/5之間是比較理想的。這次比較==0.3466。

2.2.1.2根據(jù)抗震規(guī)范（5.2.5）條要求的X方向和Y方向樓層最小剪重比=1.60%，本組數(shù)據(jù)中，各層X方向的作用力（CQC），第12層的剪重比最小，為2.02%，有效質(zhì)量系數(shù)：96.99%，滿足要求。各層X方向的作用力（CQC），第12層的剪重比最小，為2.00%，Y方向的有效質(zhì)量系數(shù)：97.03%，滿足要求。

2.2.2框剪結(jié)構(gòu)體系

2.2.2.1周期、地震力與振型輸出文件（取15個震型分析、側(cè)剛分析方法），地震作用最大的方向=0.000（度）。在設(shè)計中，每三個震型為一組，第二組震型的周期與第一組震型的周期比值在1/3～1/5之間比較理想的。這次比較==0.2596。

2.2.2.2根據(jù)抗震規(guī)范（5.2.5）條要求的X方向和Y方向樓層最小剪重比=1.60%，本組數(shù)據(jù)中，各層X方向的作用力（CQC），第12層的剪重比最小，為2.67%，有效質(zhì)量系數(shù)：99.43%，滿足要求。各層X方向的作用力（CQC），第12層的剪重比最小，為2.97%，Y方向的有效質(zhì)量系數(shù)：98.37%，滿足要求。

2.3結(jié)構(gòu)體系框架柱地震傾覆彎矩百分比比較

框架結(jié)構(gòu)體系框架柱地震傾覆彎矩百分比

框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系框架柱地震傾覆彎矩百分比

框架柱地震傾覆彎矩百分比不大于50%，說明了該框剪結(jié)構(gòu)體系中剪力墻承受主要水平荷載，而框架則以擔(dān)負(fù)豎向荷載為主。對于7度地震區(qū)42.5米高的框剪結(jié)構(gòu)，剪力墻的抗震等級為二級，框架的抗震等級為三級。

我們從概念上分析一下框剪結(jié)構(gòu)體系的受力特點(diǎn)：

框剪結(jié)構(gòu)，是由框架和剪力墻兩種不同的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)組成的受力體系，框架和剪力墻之間的協(xié)調(diào)工作，使房屋各層變形趨于均勻，框剪結(jié)構(gòu)的水平側(cè)移曲線呈彎剪型，這種曲線既不同于純框架結(jié)構(gòu)的剪切型，也不同于純剪力墻結(jié)構(gòu)的彎曲型。

所以框剪結(jié)構(gòu)體系的框架部分不同于純框架結(jié)構(gòu)中的框架，剪力墻部分也不同于純剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻。這是因為，在下部樓層，剪力墻的位移較小，它約束著框架按彎曲型曲線變形，剪力墻承受大部分水平力，上部樓層則相反，剪力墻位移越來越大，有外側(cè)的趨勢，而框架則有內(nèi)收的趨勢，框架約束著剪力墻按剪切型曲線變形，框架除了負(fù)擔(dān)外荷載產(chǎn)生的水平力外，還額外負(fù)擔(dān)了把剪力平衡過來的附加水平力，剪力墻不但不承受荷載產(chǎn)生的水平力，還因為給框架一個附加水平力而承受負(fù)剪力，所以，上部樓層即使外荷載產(chǎn)生的樓層剪力很小，框架中也出現(xiàn)相當(dāng)大的剪力。

這樣就使整個結(jié)構(gòu)體系受力比較均勻。剪力墻克服了純框架抗側(cè)剛度較低的缺點(diǎn)，框架彌補(bǔ)了剪力墻結(jié)構(gòu)布置不靈活的不足。

2..4鋼筋用量比較

框架結(jié)構(gòu)體系中框架的抗震等級為二級，框架柱的軸壓比要小于0.8，在實(shí)計算中，框架柱的軸壓比一般在0.7左右（中間0.6～0.7，邊緣0.4～0.5），在框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系中（框架為三級），框架柱的軸壓比應(yīng)小于0.9，在實(shí)計算中，框架柱的軸壓比一般在0.8左右（中間0.7～0.8，邊緣0.4～0.6。

框架柱的配筋情況，取一層的配筋為例，純框架結(jié)構(gòu)體系中，框架柱截面的配筋計算的總配筋數(shù)約為2450000mm2；框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系中，框架柱的配筋數(shù)為1600000mm2。

框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系中，剪力墻的鋼筋定為12@200的鋼筋，剪力墻的計算長度為：7.2×4+（6.6-1）×2=40m，40/0.2×78.5×2×12×2=565200mm2，計算的總配筋數(shù)為565200mm2。

兩種結(jié)構(gòu)鋼筋用量的比較：

==11.6%

僅僅是框剪結(jié)構(gòu)體系豎向受力構(gòu)件的配筋量就比純框架節(jié)省了11.6%。而且框剪結(jié)構(gòu)中框架抗震等級為三級，而純框架結(jié)構(gòu)中框架的抗震等級為二級?？蚣艚Y(jié)構(gòu)體系鋼筋用量更省。

2.5混凝土用量比較

純框架結(jié)構(gòu)，一、二層框架柱尺寸700mm×700mm，三～五層650mm×650mm，六～八層600mm×600mm，九層以上500mm×500mm。

混凝土柱混凝土的使用量為：0.7×0.7×54×4.0+0.7×0.7×54×3.5+0.65×0.65×54×3.5×3+0.6×0.6×54×3.5×3+0.5×0.5×54×3.5×4=831.13m3。

框剪結(jié)構(gòu)體系，一～四層框架柱尺寸600mm×600mm，五層以上500mm×500mm。

混凝土柱混凝土的使用量為：0.6×0.6×54×（4.0×2+3.5×2）+30×0.25×2×3.5+30×0.2×2×3.0+0.5×0.5×54×3.5×8+30×0.2×8×3.0=894.46m3

純框架結(jié)構(gòu)體系和框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系在混凝土的用量上相差不大，大致相同。但是框剪結(jié)構(gòu)體系柱子截面更?。ㄓ?00x600減小為500x500），受力構(gòu)件所占的空間減小了，能夠節(jié)省更多的空間，結(jié)構(gòu)布置也更合理。

3結(jié)論

經(jīng)過比較，框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系獲得了更大的剛度，抗震性能也更為優(yōu)越。

且框架剪力墻結(jié)構(gòu)混凝土使用量和純框架結(jié)構(gòu)體系大致相同，但但鋼筋用量節(jié)省很多，僅豎向受力構(gòu)件的配筋量就比純框架結(jié)構(gòu)體系要省11%左右，且結(jié)構(gòu)布置上更加合理，可利用空間也大。經(jīng)過計算結(jié)果的比較，不難看出框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系比純框架結(jié)構(gòu)體系更經(jīng)濟(jì)、更實(shí)用，更節(jié)省造價，結(jié)構(gòu)抗震性能更優(yōu)越。

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