框-剪結(jié)構(gòu)空間協(xié)同工作機理及其結(jié)構(gòu)抗震性能研究

馮宏東

（寧夏人防設(shè)計院，寧夏 銀川 750001）

0 引言

在當前高層建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展應用中，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)作為較為常用的一種結(jié)構(gòu)型式，對其抗震性能和影響因素的研究具有重要的理論與工程實踐意義。對框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系安全性能的研究分析日益完善，但是在結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)件與結(jié)構(gòu)抗震性能和動力特性之間相互影響關(guān)系方面的研究還不是很多。

1 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的受力及變形性能

框剪結(jié)構(gòu)在目前的設(shè)計中大致有以下四種結(jié)構(gòu)形式：（1）剪力墻與框架單獨布置，互不干擾；（2）將剪力墻嵌入到框架結(jié)構(gòu)的柱跨內(nèi)；（3）在單片抗側(cè)力結(jié)構(gòu)中，不間斷布置剪力墻和框架；（4）上述兩種或三種結(jié)構(gòu)的組合。

從受力特點來看，結(jié)構(gòu)的變形為剪彎型，即下部結(jié)構(gòu)的層間變形?。簧喜繉娱g則變形較大。在承受水平作用力下，剪力墻結(jié)構(gòu)的變形曲線為彎曲形，而框架結(jié)構(gòu)則以剪切型變形為主，此時由于存在大剛度樓板的作用，兩種結(jié)構(gòu)相互協(xié)調(diào)，促使整體結(jié)構(gòu)的位移和變形呈現(xiàn)彎剪變化。考慮結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，由于剪力墻剛度較大，故相對框架承擔更多的抵抗力，故而剪力墻受到的剪力也遠大于框架體系。其中，剛度特征值λ對框剪結(jié)構(gòu)的受力和位移特性有深刻的影響，側(cè)移曲線的形狀與λ值有關(guān)。其中λ可由公式求得。λ為框架的抗推剛度與剪力墻抗推剛度的比值。

當λ的值很小時，剪力墻的變形起主要作用，框架的剛度很小，結(jié)構(gòu)的位移曲線接近于剪力墻的變形曲線，呈彎曲型；當λ很大時，框架的剛度作用相對較大，墻起的作用較小，體系的位移曲線與框架的剪切型類似。當λ在2-6之間時，位移的曲線則介于框架與剪力墻的變形曲線之間，上部稍微帶剪切型，下部略呈彎曲型，從而整體呈現(xiàn)出彎剪變形，并使得結(jié)構(gòu)上下層的層間變形更為均勻。

2 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作機理

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)是雙重抗側(cè)力構(gòu)件，由兩種變形性質(zhì)不同的抗側(cè)力單元（剪力墻、柱）通過樓板的協(xié)調(diào)變形來共同抵抗水平荷載及豎向荷載的體系。在二者相互協(xié)同作用時，首先由于剪力墻的剛度遠大于框架的剛度，故而通常由剪力墻承擔大多數(shù)的受力荷載；其次，二者在分擔荷載的比例上是上下變化的，由它們各自的變化特點可知，框架結(jié)構(gòu)的下部變形較小，而剪力墻的下部結(jié)構(gòu)變形卻增大了，從而使剪力墻承擔更多的下部荷載，而框架分擔較少的部分。反之，在上部卻正好相反，剪力墻變形減小，而框架結(jié)構(gòu)的變形卻相應增大，負擔的剪力值亦同時增大。故而，結(jié)構(gòu)上下部所承擔的剪力更趨合理，使結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度整體得到了提高。

協(xié)同工作的計算方法有兩種：計算機計算方法和手算的近似方法。計算機分析方法計算適用于結(jié)構(gòu)平面和體型較規(guī)則的情況，框剪結(jié)構(gòu)利用平面的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的空間協(xié)同工作時；而手算的近似計算則是將結(jié)構(gòu)內(nèi)所有的剪力墻歸并為總的剪力墻，所有的連梁歸并為總連梁，所有的框架則歸并為總框架。協(xié)調(diào)工作的主要目的是為了解決總框架與總剪力墻之間的荷載分配問題，分別得到他們各自承擔的總內(nèi)力，并求出結(jié)構(gòu)的整體側(cè)向位移。但是不論哪種計算方法，都需在一些假定的條件下才得以順利進行。

①房屋整體體型規(guī)則，剪力墻的布置均勻?qū)ΨQ，各樓層質(zhì)心與剛心相重合；假設(shè)樓蓋在自身的平面內(nèi)剛度無窮大，使得任一樓層位置處框架與剪力墻的水平位移相等，且不考慮扭轉(zhuǎn)與平面外剛度對結(jié)構(gòu)的影響，即為 uw＝uf。

②水平方向外荷載由剪力墻與框架結(jié)構(gòu)共同分擔。

③框架與剪力墻的剛度隨高度的變化而均勻變化。在上述假定的基礎(chǔ)上，選擇合適的計算方法，對框架-剪力墻結(jié)構(gòu)進行協(xié)同工作分析

3 框剪結(jié)構(gòu)中剪力墻的布置原則

在框剪結(jié)構(gòu)中，剪力墻被設(shè)計為主要的抗側(cè)力受力構(gòu)件。在設(shè)計中，框剪結(jié)構(gòu)應在X、Y兩個主軸方向同時設(shè)計一定數(shù)量的剪力墻作為抗側(cè)力構(gòu)件，以增強結(jié)構(gòu)的抗震抗扭曲能力；同時，主體結(jié)構(gòu)中，構(gòu)件之間除了個別節(jié)點外均不應采用鉸接；在結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，剪力墻與柱的中線宜重合布置，柱與梁的中線也宜重合設(shè)置；而若框架柱、框架梁間存在偏離時，應符合本規(guī)程6.1.3的規(guī)定。

在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻宜布置邊緣約束構(gòu)件，即：邊框梁和邊框柱。根據(jù)高層建筑規(guī)程的規(guī)定，布置剪力墻時宜符合以下幾個方面的要求。首先確定剪力墻的厚度：若建筑物所屬地區(qū)要求做抗震設(shè)計時，一級、二級抗震設(shè)防標準的剪力墻宜設(shè)置底部加強部位，規(guī)定其截面厚度不應該小于200mm，同時限值其厚度不小于層高的1/16；在三級、四級抗震設(shè)計時，厚度只需滿足不小于160mm，且不小于層高的1/20的要求即可。在設(shè)置邊框梁時，其寬度應與剪力墻的厚度相同，同時滿足結(jié)構(gòu)與美觀的要求，而其高度則不低于剪力墻厚度的2倍。因此，設(shè)置一道合理的剪力墻，其厚度應同時具有結(jié)構(gòu)的安全、合理、經(jīng)濟等眾多特點。但應引起注意的是，通常底層的剪力墻由于直接接觸基礎(chǔ)'受地基基礎(chǔ)埋深的影響較大，故需加大其截面厚度。其次，合理布置剪力墻數(shù)量與長度'需滿足結(jié)構(gòu)在地震作用下對層間位移角、對周期各結(jié)構(gòu)要素的要求。這就需要對剪力墻和框架柱進行合理的配置設(shè)計，對兩者承擔的抗傾覆彎矩的進行最優(yōu)的比例控制'只有在剪力墻所承擔的傾覆彎矩值大于框架值的50%時，才可以把結(jié)構(gòu)確定為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。而設(shè)計中，剪力墻的長度不宜過長，需要滿足高寬比不小于2的限值。

4 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能

4.1 提高剪力墻的抗震性

在設(shè)計的過程中，為了阻止斜向裂縫向鄰近的結(jié)構(gòu)擴展，可以在剪力墻的周邊增加梁柱結(jié)構(gòu)，形成帶有邊框的剪力墻結(jié)構(gòu)，同時這些梁柱也可以在剪力墻受到破壞作用后代替剪力墻承受荷載。也可以采用控制合適的墻肢面積來增強剪力墻的抗震能力，此種方法是將墻肢的面積減小，利用多肢墻或雙肢墻來控制結(jié)構(gòu)裂縫，并利用洞口處的連梁形成一個耗能構(gòu)件，既能降低結(jié)構(gòu)的整體剛度，又能避免結(jié)構(gòu)在地震時過早的屈服。

4.2 提高框架的抗震性能

對框架結(jié)構(gòu)來說，角柱是連接縱橫向框架的關(guān)鍵，想要增加結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，就必須對結(jié)構(gòu)的角柱進行加強設(shè)計，提高其抗剪能力。而在平面框架的外圍則增設(shè)一定數(shù)量的剪力墻，有效的提高框剪結(jié)構(gòu)的整體性和其抵抗外荷載的剛度，減少在地震作用下整體體系的側(cè)向位移。

4.3 提高結(jié)構(gòu)整體的抗震能力

在結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計中，要達到體系延性與剛度的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，以滿足建筑的抗震要求。首先，要使結(jié)構(gòu)達到總體屈服的效果，在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的特定位置，就需配置一定數(shù)量的塑性鉸，促使結(jié)構(gòu)在地震作用時具有良好的耗能性能。其次要平衡結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度，要綜合考慮建筑的基本情況，將建筑所處的地質(zhì)情況，建筑高度，裝修等級等各項內(nèi)容全部考，按照規(guī)范的最大位移限制，確定剪力墻的位置和數(shù)量，保證建筑的安全性與經(jīng)濟性。

5 結(jié)束語

總之，把剪力墻結(jié)構(gòu)中的部分剪力墻去掉而用框架代替，或在框架結(jié)構(gòu)中的部分薄弱部位布置剪力墻，成為框架-剪力墻，既具有抗震墻的抗側(cè)能力，而且具有框架的自由靈活，抗震墻又不太多，地震力相對純剪力墻結(jié)構(gòu)也較小，是高層建筑中極其重要的結(jié)構(gòu)形式。

［1］張大權(quán).高層結(jié)構(gòu)設(shè)計中框架剪力墻應用研究[J].科技資訊，2010，30.

［2］梅文龍.高層框架-剪力墻結(jié)構(gòu)剪力墻適宜高度分析[D].吉林:東北電力大學，2008.