框_剪结构中剪力墙的优化研究

2008/12 中华建设

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摘要：高层建筑投资大，建设周期长，对其进行优化设

计以期获得最优结构方案并节约投资，一直是国内外学者、结构工程师所努力的方向。本文系对框-剪结构中剪力墙的优化问题进行的研究。

关键词：框-剪结构 剪力墙 优化

框-剪结构中剪力墙的优化研究

文/覃智

一、剪力墙布置的基本原则

框架-剪力墙结构中的剪力墙是抗震抗风的主要构件，应沿各主要轴线方向布置。在矩形、L 形和槽形平面中，剪力墙沿两个正交正轴方向布置。1.剪力墙布置的一般原则

1)分散，剪力墙的布置应考虑地震力分散作用于刚度大致相等的多片剪力墙上。因为如果地震力集中作用到一两片刚度很大的剪力墙上，会造成墙体内力很大，截面设计困难，且主要受力剪力墙一旦被破坏后，其余较弱剪力墙和框架很难负担起该剪力墙传来的地震力。

2)均匀，同方向的各片剪力墙应比较均匀地布置在建筑平面的各个区段，而不是集中于某一区段内，以防止因楼盖过大的水平变形导致地震力在各幅框架间的不均匀分配。

3)周边，剪力墙尽可能沿结构平面的周边布置，以获得结构抗力的最大水平力臂，充分提高整个结构的抗扭转能力。

4)对称，剪力墙应尽量做到对称布置，如果在平面上难

于做到对称布置时，可通过调整剪力墙的长度和厚度，使结构的抗推刚度中心尽量与质量中心相接近，缩小偏心距，以减弱地震时结构的扭转振动。

5)在一个独立结构单元内，同一方向的各片剪力墙不宜是单肢墙，应多设置一些双肢墙或多肢墙，以避免同方向所有剪力墙同时在底部屈服而形成不稳定的侧移机构。在每一独立结构单元的纵向和横向，均应沿两条以上且相距较远的轴线设置剪力墙，使结构具有尽可能大的抗扭转能力。2.剪力墙布置的位置

l)平面形状变化处，即：角隅、端角、凹角。这些部位往往是应力集中处，设置剪力墙给予加强是很有必要的。

2)高层建筑的楼梯间、电梯间、管道井口等处的楼面开洞严重地削弱楼板刚度，对保证框架与剪力墙协同工作极为不利。因此，在工程设计中用剪力墙来加强这些薄弱端部，是十分有效的。

3)竖向荷载较大处，一是因为剪力墙承受较大的竖向荷载，可以避免设置截面尺寸过大的柱子，满足建筑布置的

要求；二是剪力墙为主要抗侧力结构，承受很大的弯矩和剪力，需要较大的竖向荷载来避免出现轴向拉力，提高截面承载力，也便于基础设计。

3.剪力墙的间距

现浇钢筋混凝土楼盖以L/B=2～4为宜，装配整体式钢筋混凝土楼盖以L/B=1～2.5为宜。原则是建筑物愈高、抗震设防烈度愈高，间距取值愈小。一片剪力墙的长度不宜大于8m，当超过时，应利用洞口分割成两片墙；功能上不需要洞时，洞口可用不同的材料或轻质材料填充。

二、地震作用与剪力墙刚度的关系

高层框-剪结构中，剪力墙刚度往往比框架的刚度大得多，所以在框-剪结构体系中，剪力墙刚度的大小在很大程度上决定了整个结构的刚度。在进行结构设计时，框-剪结构中剪力墙刚度的确定除了必须满足强度条件外，还必须使结构具有一定的侧向刚度，以免在地震作用下产生过大的变形。在初步设计阶段，简捷、正确地确定框-剪结构中剪力墙最优数量，可避免重复、烦琐的结构刚度调整计算。

在地震初期，框架-剪力墙结构体系处于弹性变形阶段时，水平地震作用是按照体系中各竖向杆件的初始弹性刚度比例分配，因而剪力墙承受了绝大部分地震作用，这是剪力墙在地震过程中的较大受力状态；而框架由于变形值很小，此时尚处于低应力状态，因而不是框架的最不利状态。在持续的地震动作用下剪力墙的变形不断加大，超过自身的弹性极限状态后，随着非弹性变形的逐步加大，剪力墙的墙面开始出现裂缝，抗侧移刚度发生退化。随着水平力的增大，结构内部发生了内力重分布，框架按实际刚度分配得到的水平地震作用也就大幅度增加。当结构体系的变形达到框架层间侧移角的弹性极限值(约为θ=1/800)时，框架与剪力墙的相对刚度比值将达到最大值。此后，当结构变形继续增大(θ>l/800时)，框架刚度的降低以及剪力墙刚度的进一步退化，两者相对刚度的比值大致维持在上述最大值的附近。所以当整个结构体系的变形达到框架层间侧移角的弹性极限值时，按照此时框架弹性刚度和剪力墙非弹性刚度的比值进行地震作用的分配，框架将处于最不利受力状态。在框架-剪力墙中，剪力墙是主要承受水平荷载的构件，它的最大弯矩值在基底。由于剪力墙的截面深度通常是柱截面深度的几倍乃至十几倍，因此在承受相同的底层水平位移的情况下，剪力墙的基底将首先屈服，形成塑性铰。对于按框架强柱弱梁要求设计的情况，随着水平地震作用的增大，框架将相继屈服，梁端形成塑性铰，框架处在悬臂状态，在水平地震作用增加很小的情况下，框架柱底就会产生较大的弯矩，很快达到屈服，结构变成几何可变体系而倒塌。

基于上述破坏形态的分析，我们可以看出框架-剪力墙结构在非弹性变形阶段发生的内力重分布，关系到框架以至整个结构体系的安全，应该在抗震设计中加以考虑。在对框架-剪力墙结构进行抗震设计时，应根据地震过程中，结构在各个不同变形阶段剪力墙和框架的实际刚度进行结构总地震作用的计算及其在框架和剪力墙之间的分配，以求得框架和剪力墙的最不利内力，从而确保当剪力墙在一定强度的地震作用下遭受可允许的损坏、刚度降低或部分退出工作并吸收相当的地震能量后，框架部分能够承担相当的抗震能力，起到第二道防线的作用。

地震在时间、空间和强度上都还不能确切预测，因此，一般来说，多设剪力墙对抗震是有利的。但是，如果剪力墙数量超过了必要的限度，是不经济的。剪力墙设置的太多，虽然有较强的抗震能力。但由于刚度太大，周期太短，地震反应可能加大，不仅使上部结构材料增加，而且带来基础设计的困难。另外，在框-剪结构体系中，框架的设计水平剪力有最低限值，剪力墙再增多，框架的材料消耗也不会再减少。所以，单从抗震的角度来说，剪力墙数量以多为好；从经济性来说，剪力墙则不宜过多，因此，有一个剪力墙的合理数量问题。

在进行框-剪结构体系的设计时，首先是确定柱网尺寸，接着根据竖向荷载及粗估的水平地震作用效应，确定框架梁、柱的截面尺寸，然后确定抗震墙的数量。剪力墙数量的多少，关系到结构能否做到安全、经济、合理。在独立的结构单元内，抗震墙的设置数量，应符合下列原则和要求：为能充分发挥框-剪体系的结构特性，抗震墙在结构底部所承担的地震弯矩值(可按第一振型计算)应不少于总地震弯矩值的50%。否则，应按框架体系对待。

沿结构单元的两个主轴方向，按《抗震规范》地震力计算出的结构弹性阶段层间侧移角的最大值，对于一般高楼和具有高级装修的高层公共建筑，应分别不大于1/600和1/800，同时还应满足《高层规程》中关于顶点侧移角限值的规定，如下表所示：

高度≤150m的高层建筑楼层层间最大位移与层高之比的限值

结构类型△u/h限值

框架1/550

框架-剪力墙、框架-核心筒、板柱、

剪力墙

l/800

筒中筒、剪力墙l/1000

框支层l/1000

（作者单位：湘西自治州建筑设计有限责任公司）

中华建设 2008/1263