框架剪力墙结构中剪力墙设计及实例分析

[关键词]框架-剪力墙；结构；抗震设计；实例分析 

　　1.框架-剪力墙结构剪力墙的布置和数量 

　　1.1 剪力墙的布置 

　　（1）框架-剪力墙结构中剪力墙的布置一般按照“均匀、对称、分散、周边”的原则布置。 

　　（2）框架-剪力墙结构中的剪力墙，宜设计成周边有梁柱（或暗梁柱）的带边框剪力墙。纵横向相邻剪力墙宜连接在一起形成L形、T形及口形等，这样的剪力墙会增大建筑整体的刚度和抗扭能力。 

　　（3）在长矩形平面或平面有一项较长的建筑中，其剪力墙的布置为：横向剪力墙沿长方向的间距宜满足规范要求，当这些剪力墙之间的楼盖有较大开洞时，剪力墙的间距应予减小；纵向剪力墙不宜集中布置在两尽端。 

　　（4）剪力墙宜贯通建筑物全高，沿高度墙的厚度宜逐渐减薄，避免刚度突变对抗震造成不利。当剪力墙不能全部贯通时，其上下层刚度的减弱不宜大于30%，在刚度突变的楼层板应按转换层楼板的要求加强构造措施。 

　　1.2 剪力墙合理数量的确定 

　　剪力墙的合理数量按许可位移决定，按高层建筑规范中一般装修材料，框架-剪力墙结构顶点位移与高之比u/H不宜大于1/700装修要求较高时u/H不宜超过1/850，在满足这个要求的前提下增减剪力墙的数量。 

　　用结构自振周期也可校核剪力墙布置数量，结构自振周期的合理范围大致为 

　　但此种方法在一定范围内不适用，因为从地震作用本身来分析剪力墙结构刚度小，地震作用小，位移限制较易满足，但这种结构在工程上有可能不很合理，结构的自振周期有可能不在合理范围内。可依据实际工程中的剪力墙数量作为剪力墙布置的参考，用底层结构截面积（包括剪力墙Aw和框架柱截面积Ac）与楼面面积Af之比（Aw+Ac）/Af来估算剪力墙数量或用剪力墙面积Aw与楼面面积Af之比来估算框架柱Ac（见表1）。 

　　一般，多设剪力墙对抗震是有利的。但是，剪力墙超过了必要的限度，是不经济的。剪力墙太多，虽然有较强的抗震能力，但由于刚度太大，周期太短，地震作用要加大，不仅使上部结构材料增加，而且带来基础设计的困难。目前我国尚无这方面的成熟经验，设计中可根据工程具体情况、建筑物高度、地区设防烈度及参考上面方法取值。 

　　2.工程实例 

　　本工程主楼地下一层，地上十层，局部七层，总建筑面积为40671.77m2。在剪力墙布置方面，纵向5-6，9-10轴线间，横向C-D，和K-L轴线间设置了剪力墙，并且剪力墙在布置时横向以G轴为中心线基本保持对称。本工程主体建筑为筒体结构，在进行剪力墙的布置时充分考虑了筒体结构的周边抗侧力处于薄弱环节，故特意在结构周边设置了剪力墙，有效的提高了结构整体的抗侧刚度。剪力墙布置，如图1所示。 

　　（1）从框架柱地震剪力百分比可以看出，在结构底部和中上部，水平地震作用主要靠剪力墙承担，结构上部的水平地震作用主要由框架承担，.根据结构的底部剪力我们将各层位移连成了侧移曲线，该曲线呈反S形，且接近直线，各层刚度均匀，位移曲线连续光滑，无突然凹凸变化和折点。说明剪力墙的数量和设置位置是合理的，同时体现了剪力墙在整个结构的抗震中起着非常重要的作用。 

　　（2）结构在地震作用下的变形。结构在地震作用下的变形曲线呈弯剪型，但上部略微呈剪弯型，说明在上部是由框架抵消了很大一部分剪力墙的变形；而结构其余部分水平力主要由剪力墙承担。充分体现了框剪结构中剪力墙抗震的优势。 

　　通过地震作用下层间位移计算结果以及地震作用下X、Y方向最大层间位移角曲线分析：结构Y向在水平地震作用下的最大层间位移角在1/885・P・[θ]・P・1/800，符合规范要求，说明本工程剪力墙的布置是合理的。 

　　3.几点改善结构抗震性能的建议 

　　（1）设计中高层结构通常在楼梯、电梯及竖向管道等竖向交通区设置较多的剪力墙片，组成一个或数个较完整或基本完整的筒体，变平面剪力墙构件为空间剪力墙筒体，从而提高整个结构性能。 

　　（2）对于外围框架分隔的结构，由于分隔的不整齐性，难以形成规则柱网，其柱截面往往大于隔墙厚度而造成柱子外凸的不良建筑效果，而且其抗侧能力较差，为满足抗侧力的需要又不加重剪力墙筒体的负担；剪力墙分隔可以通过一些与填充墙基本同宽、肢长-肢宽比接近5的短肢剪力墙片，实现灵活多变的分割形式，但它们又难于满足建筑功能对底部开敞大空间的要求，结构上通常处理成底部大空间框支，即在结构底部剪力墙筒体落地，由转换大梁完成底层框支柱到上层剪力墙分隔之间的结构转换。这样，既扩大了使用面积，又保证了建筑的布局灵活。本工程在进行设计施工时，充分考虑了此种结构的优点，并和剪力墙巧妙结合起来，有效的提高了结构整体刚度，增强了结构的抗震能力。为了更好的达到抗震效果剪力墙应设置在： 

　　①在竖向荷载较大处。②平面形状变化处或楼盖水平刚度剧变处。③楼梯间、电梯间以及楼板较大洞口的两侧。④为了用较少的墙体获取较大的纵、横向抗推刚度和受弯承载力，纵、横向抗震墙最好能连接成T形、L形和口字形；同一横向轴线上的两片抗震墙可利用各层的框架梁来组成双肢墙。⑤纵向抗震墙不宜设置在独立结构单元的两端，以免纵向框架梁和楼板因受到变形约束的区段过长而产生较大的收缩和温度应力。如果同一横面轴线上两片纵向抗震墙之间的距离过大，各层楼盖均应在间距中点附近的某开间内，设置横贯房屋全宽的施工“后浇带”，以消除混凝土的收缩影响。总之，剪力墙的设置要均匀分散，尽量对称最好，形成蜂窝状是最理想的。 

　　4.结论 

　　（1）框架-剪力墙结构中，框架与剪力墙起到了很好的互补的作用，对于抗震要求较高的地区是一种非常合适的结构形式。在框架-剪力墙结构中，适当的剪力墙能使结构具有相当大的刚度和较高的承载力，并且有很强的抵抗地震作用的能力。 

　　（2）合理的搞好框架-剪力墙结构的设计，将直接影响到建筑物的安全使用与技术经济指标的高低。在结构设计初步阶段，剪力墙数目的合理确定，不但可以减少大量重复工作的问题，还可以达到经济的目标。从结构的底部剪力和自振周期可以得出剪力墙的合理布置对结构抗震能力的提高起着非常大的作用。 

　　参考文献 

　　[1] GB50011-2001，建筑抗震设计规范[S]. 

　　[2] 包世华，方鄂华.高层建筑结构设计[M].北京：清华大学出版社，1990. 

　　[3] 吕西林.高层建筑结构（第2版）[M].武汉：武汉理工大学出版社，2003.