框架剪力墻結構的設計步驟和方法探討

□□ 郭正烜

(太原理工大學，山西 太原 030024)

建筑設計

框架剪力墻結構的設計步驟和方法探討

□□ 郭正烜

(太原理工大學，山西 太原 030024)

通過對框架剪力墻結構的闡述，揭示了剪力墻結構的概念與特點。結合實際工程的設計，有針對性地分析了框架剪力墻結構的設計原則與步驟。

框架剪力墻結構；設防；SATWE

引言

隨著人民生活水平的不斷提高以及建筑市場的不斷繁榮和發(fā)展，人們對建筑功能的要求也越來越高。高層建筑由于既能滿足建筑功能的集成化，又能經(jīng)濟合理地利用土地，因而大量地出現(xiàn)在城市和城鎮(zhèn)建設中。常見的混凝土高層建筑按結構類型一般可分為框架結構、剪力墻結構、框架-剪力墻結構、筒體結構等。本文討論的框架-剪力墻結構(以下簡稱“框剪結構”)，是在框架結構體系的基礎上設置一定數(shù)量的剪力墻而形成的既有框架又有剪力墻的雙重受力體系。

1 框剪結構的優(yōu)勢

一般而言，框架結構空間布置靈活，容易實現(xiàn)建筑功能要求，結構的抗震性能也比較好，但是其抗推剛度較小，抵抗水平荷載的能力較低。剪力墻結構的抗推剛度較大，抗側承載力高，但是由于承重墻體間距受限制，建筑平面布置不夠靈活，很難滿足一些公共建筑的功能要求?？蚣艚Y構體系將框架體系與剪力墻體系結合起來，利用框架柱的靈活布置解決了建筑功能和空間的要求，同時剪力墻的存在極大地提高了結構的抗側剛度，具有良好的抗震性能，因而在很多需要大空間的高層建筑(如寫字樓、商場、醫(yī)院等)中得到了廣泛的應用。

合理設計的框剪結構具有優(yōu)良的抗震性能。由于框剪結構綜合了框架和剪力墻兩種結構形式，就變形能力而言，框剪結構優(yōu)于剪力墻結構。同樣，框剪結構的抗震性能也優(yōu)于框架結構。結構震害資料表明，在框架中設置剪力墻可以增強結構的抗側剛度，從而減少水平位移，有效地控制地震對結構的破壞，特別是減輕非結構構件的破壞，這在歷次地震的震害資料中均有證明。

框剪結構具有良好的抗震性能還表現(xiàn)在結構體系的多道設防。小震作用下，主要是剪力墻承受水平荷載；中震作用下，框架與剪力墻共同工作；在大震作用下，剛度較大的剪力墻成為第一道抗震防線，隨著剪力墻的開裂，其剛度退化，框架在保持結構穩(wěn)定及防止結構倒塌方面發(fā)揮作用。

2 工程實例

本文選用的實例為某地區(qū)醫(yī)院綜合樓項目，該項目位于山西省某市，抗震設防烈度為8度(0.2g)，場地類別為三類。建筑層數(shù)為地下1層(局部為人防工程，人防抗力等級為6級)，地上12層，標準層總長40.4 m，總寬20.8 m，結構總高度為46.8 m，建筑面積11 501 m2。建筑設防類別為乙類(重點設防類)。

3 結構選型及結構平面布置

該項目結構總高46.8 m，根據(jù)JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》(以下簡稱“高規(guī)”)表3.3.1-1，若選用框架結構，則超過了規(guī)范規(guī)定的最大適用高度；若選用剪力墻結構，由于建筑平面中除病房、診室、辦公室外，還需設置藥房、會議室、手術室等大空間的功能房間，剪力墻結構很難滿足要求。綜合考慮結構最大適用高度和建筑功能要求，最終選用框架-剪力墻結構，并要求建筑物的最大高寬比滿足“高規(guī)”中表3.3.2最大高寬比的要求。

框柱與剪力墻結構方案的確定需考慮以下幾個因素：

(1)結構布置需以建筑平面為依據(jù)，滿足建筑功能的要求。墻柱的布置要求不影響功能房間的使用。

(2)剪力墻布置要遵循“均勻、分散、周邊、對稱”的原則。均勻、分散是要求剪力墻片數(shù)多，且每片墻的剛度不要太大，在樓層平面內(nèi)均勻分布。對稱、周邊布置是為了降低高層建筑在地震力作用下的扭轉效應。

(3)剪力墻的數(shù)量要適中。剪力墻數(shù)量過少，則抗側剛度不足，會在地震力作用下產(chǎn)生較大的側向變形，導致嚴重的震害；剪力墻數(shù)量過多，又會使結構自重加大，地震作用隨之加大，而且會增加不必要的造價。因此，在框剪結構中兼顧安全和經(jīng)濟來確定剪力墻數(shù)量是非常重要的。

(4)剪力墻的位置合理。作為框剪結構中的主要抗側構件，剪力墻應沿結構縱橫兩個方向同時布置，并使兩個方向的剛度接近。剪力墻一般宜布置在下列部位，如豎向荷載較大處；建筑平面復雜部位或平面形狀變化處；樓梯間和電梯間部位等。

(5)剪力墻布置間距需遵循規(guī)范要求，符合“高規(guī)”中表8.1.8的規(guī)定。

綜合考慮上述因素，針對該項目而言，框架柱的布置相對簡單，按照經(jīng)濟柱距布置即可。該項目橫向柱距為8 m，縱向柱距分別為7.2 m、5.4 m、7.8 m。剪力墻主要布置在衛(wèi)生間、電梯間、縱橫向的外墻及個別內(nèi)墻中，基本呈對稱布置，兩個方向的墻體數(shù)量基本相近，保證了建筑的使用功能。

該項目標準層布置方案如圖1所示。

圖1 標準層結構布置平面圖

4 PKPM建模及計算

將結構方案輸入計算機進行建模計算，從而獲得比較準確的結構信息，并根據(jù)計算結果對結構方案進行必要的調(diào)整。

4.1 關鍵計算參數(shù)的確定和輸入

考慮到該工程屬于醫(yī)院，結構形式為框剪結構，建筑物的抗震設防類別為乙類，該地區(qū)抗震設防烈度為8度(0.2g)，根據(jù)GB 50223—2008《建筑工程抗震設防分類標準》的要求：“重點設防類，應按高于本地區(qū)抗震設防烈度一度的要求加強其抗震措施”，故在確定SATWE參數(shù)時應首先考慮結構的抗震措施，由本地區(qū)8度變更為9度，相應的框架和剪力墻的抗震等級均應提高。

0.2Q0調(diào)整：“高規(guī)”8.1.4條規(guī)定：“(1)滿足式(8.1.4)要求的樓層，其框架總剪力不必調(diào)整；不滿足式(8.1.4)要求的樓層，其框架總剪力應按0.2V0和1.5Vf.max二者的較小值采用；Vf≥0.2V0(8.1.4)?！边@是框剪結構為了保證在水平地震力作用下能夠形成有效的多道設防。在設防地震、罕遇地震作用下，剛度大的墻體會先于框架破壞，由于塑性內(nèi)力重分布，框架部分按側向剛度分配的剪力會比多遇地震下加大，為了保證作為第二道防線的框架具有一定的抗側力能力，需要對框架承擔的剪力予以適當?shù)恼{(diào)整。所以對于該項目，應全樓進行調(diào)整。

周期折減系數(shù)：對于不同類型的高層結構，規(guī)范規(guī)定了采用不同的周期折減系數(shù)。因為結構在地震作用下自振周期往往要小于計算周期，這是由于結構中非承重墻體(如砌塊填充墻)的協(xié)調(diào)變形所致，故應按照規(guī)范要求對該項目進行調(diào)整，調(diào)整系數(shù)取0.8。

對于程序中其他參數(shù)的設定，均按照相應規(guī)范要求和PKPM用戶手冊進行設置，不再贅述。

4.2 計算結果分析

調(diào)整完畢參數(shù)后進行試算。經(jīng)過多輪計算和對模型的調(diào)整，精準確定結構方案，之后對計算結果進行分析。

首先保證宏觀結構的合理性，對SATWE輸出信息中的總信息、位移情況、地震周期、框架柱傾覆力矩及0.2QV0等內(nèi)容與規(guī)范條文進行比對。

4.2.1 豎向剛度變化

適當提高該項目地下室結構構件的截面尺寸和混凝土強度，使地下室與地面一層的側向剛度比>2，結構嵌固端可取地下室頂板。對地上部分，分成若干個結構標準層，在保證承重構件豎向連續(xù)的前提下，分段減小構件截面尺寸和混凝土強度，從而使結構每層剛度基本接近并逐漸變小，保證樓層側向剛度不小于相臨上部樓層側向剛度的70%或其上相臨3層側向剛度平均值的80%，從而滿足規(guī)范要求。

4.2.2 結構彈性層間位移的控制

均勻設置的剪力墻能有效地限制結構在地震作用下的位移?？拐鹨?guī)范提出的層間彈性位移角和層間彈塑性位移角限值，實際上是控制層間水平位移不得過大，避免帶來結構的P-Δ效應。兩個階段的層間位移要分別滿足以下要求：

多遇地震作用下產(chǎn)生的層間彈性位移：

ΔUe≤[θe]H

(1)

罕遇地震作用下產(chǎn)生的層間彈性位移：

ΔUp≤[θp]H

(2)

經(jīng)對該項目進行計算，X向彈性層間位移角為1/875；Y向彈性層間位移角為1/902。兩個方向的剛度基本接近，且滿足規(guī)范要求的≯1/800。

4.2.3 結構的自振周期的控制

結構的自振周期在考慮折減系數(shù)后應控制在一定的范圍內(nèi)?？蚣艚Y構的基本自振周期(即第一周期)按照一般經(jīng)驗大致為：

T1≈(0.08～0.12)n (3)

如果周期偏長，說明結構過“軟”，所承擔的地震剪力偏小，應考慮抗側力構件(柱、墻)是否截面太小或布置不當；若周期偏短，說明結構過“剛”，所承擔的地震力偏大，應考慮抗側力構件是否截面太大或墻的布置太多或墻的剛度太大(宜設結構洞減小其剛度)。

對該項目進行計算得到的3個主周期見表1。

表1 結構周期

計算結果表明，結構的剛度較為合理，第一、二周期顯示為平動周期，第三周期顯示為扭轉周期，T3/T1≈0.643。因為T3/T1<0.85，說明結構整體抗扭剛度較大，能有效地限制地震作用下產(chǎn)生不利于結構安全的扭轉變形。

4.2.4 規(guī)定水平力作用下框架柱的地震傾覆力矩百分比

框剪結構在規(guī)定的水平力作用下，結構底層框架部分承受的地震傾覆力矩與結構總地震傾覆力矩的比值不盡相同。當框架部分承受的地震傾覆力矩比結構總地震傾覆力矩>10%但≯50%時，按典型的框架-剪力墻結構進行設計。如果框架部分承受的地震傾覆力矩過大或過小，均要按照“高規(guī)”要求對結構進行特定分析。

對該項目進行計算得到的數(shù)據(jù)見表2。

表2 規(guī)定水平力框架柱及短肢墻地震傾覆力矩百分比 %

框架柱承受的地震傾覆力矩均在10%～50%之間，符合典型的框剪結構特點。

4.2.5 振型曲線和位移曲線

對于豎向剛度和質量比較均勻的結構，如果計算正常，其振型曲線應是比較連續(xù)光滑的曲線，不應有大進大出、大的凹凸曲折。

框剪結構的位移曲線介于剪力墻結構與框架結構兩者之間。剪力墻結構的位移曲線具有懸臂彎曲梁的特征，位移越往上增長越快，呈外彎型曲線；框架結構的位移曲線具有剪切梁的特征，位移越往上增長越慢，呈內(nèi)收型曲線；框剪結構的位移曲線呈反S型曲線，中部接近為直線。而且曲線均應連續(xù)光滑，無突然凹凸變化和明顯的折點。

除了對以上計算結果的討論，還應結合結構剪重比、荷載和內(nèi)力分布等內(nèi)容進行合理分析，這樣才能基本保證結構的宏觀合理性。下一步還要對SATWE結果中的配筋進行驗算，對軸壓比等信息進行查看與調(diào)整，以確保結構構件的安全可靠。

4.3 圖形輸出與施工圖繪制

利用PKPM軟件對模型計算結果輸出，經(jīng)整理后繪制結構施工圖，完成設計任務。

3 結語

對于框剪結構的設計最重要的是概念設計，尤其是對于抗震設防地區(qū)的建筑，做到正確的結構選型、合理的整體布局與可靠的構造措施是非常重要的。只有深入了解框剪結構的受力性能，把握地震作用下結構的抗震特點，并能利用軟件合理計算，才能設計出既經(jīng)濟合理又安全堅固，同時能滿足建筑功能的優(yōu)良結構。

[1] JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結構技術規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2] GB 50011—2010，建筑抗震設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3] 葉獻國.建筑結構選型概論[M].第2版.武漢：武漢理工大學出版社，2013.

[4] SATWE用戶手冊及技術條件(2010版)[K].北京：中國建筑科學院,2011.

[5] 包世華.新編高層建筑結構[M].北京：中國水利水電出版社，2005.

(編輯 盛晉生)

1009-9441(2015)05-0012-03

TU 398

B

郭正烜(1981-)，男，山西平遙人，講師，2004年7月畢業(yè)于太原理工大學土木工程專業(yè)，現(xiàn)從事建筑工程教學工作。

2015-09-16