高层框架剪力墙结构的抗震性能优化分析

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高层框架剪力墙结构的抗震性能优化分析
李安琪
广州市设计院集团有限公司 广东 广州 510620
摘 要 为适应高层建筑多层次化、功能综合化的发展，建筑结构形式在实际中需不断优化设计，而框架剪力墙结构结合了框架结构和剪力墙结构的优点，应用广泛。

本文通过对框架剪力墙结构的特性进行分析，阐述其抗震设计要点，据此提出相应的优化设计措施，提高框架剪力墙结构的抗震性能。

关键词 高层建筑；框架剪力墙结构；抗震性能；优化设计
Analysis of Earthquake Resistant Performance Optimization of High-Rise Frame Shear Wall Structure
Li An-qi
Guangzhou Design Institute Group Co., Ltd., Guangzhou 510620, Guangdong Province, China
Abstract In order to adapt to the development of multi-level and comprehensive functions of high-rise buildings, the architectural structure form needs to be continuously optimized and designed in practice, and the frame shear wall structure combines the advantages of frame structure and shear wall structure, and is widely used. This paper analyzes the characteristics of frame shear wall structure, expounds its earthquake resistant design points, and proposes corresponding optimization design measures to improve the earthquake resistant performance of frame shear wall structure.
Key words high-rise buildings; frame shear wall structure; earthquake resistant performance; optimization design
引言
框剪结构是现代高层建筑工程中一种常见的结构形式，结合了框架结构和剪力墙结构的优点，即能够共同承受水平及竖向荷载、灵活布置大面积空间和满足建筑多功能的需求。

然而，从结构抗震角度来看，框剪结构的抗震设计难度较大，在设计中既要满足位移限值的要求，又要充分发挥框剪结构中各抗侧力构件的作用，做到安全、经济合理。

因此如何优化框架剪力墙结构的抗震性能，是工程设计工作的重中之重，本文就此开展研究。

1 框架剪力墙结构概述
框架剪力墙结构简称为框剪结构，在框架结构中布置若干剪力墙，经由刚性楼盖来连接框架与剪力墙，由二者共同构成使用空间，共同承受竖向荷载以及水平荷载。

其中，上下部楼层框架分别呈现内收、外倾的趋势，负责承担提供附加水平力来拉回剪力、承受外荷载水平力的作用。

上下部楼层剪力墙呈现外倾、内收趋势，负责承担荷载水平力、负载力。

相比于其他结构形式，框剪结构有着较大刚度与良好抗震性能，多用作高层建筑的结构形式。

此外，从结构抗震角度来看，剪力墙在框剪结构中负责承担80%及以上的风荷载作用以及水平地震力，对剪力墙数量、刚度的设定，是结构抗震设计的关键。

如
果剪力墙刚度过大或是过小，将分别造成缩短结构自振周期与增加上部结构内力、结构震中产生过大变形量的后果。

而在剪力墙数量设置过多与过少时，则造成增加材料耗用量、削弱结构抗震性能的后果，难以满足高层建筑的实际使用要求[1]。

2 高层框架剪力墙结构抗震设计的要点2.1 结构的变形协调
在框剪结构体系中，框架、剪力墙二者的变形特性有着明显差异，且均属于独立抗侧力结构，如果未采取相应协调措施，在后续建筑物使用期间与遭受地震能量冲击时，有一定概
率出现建筑结构局部单独变形的现象，对结构抗震性能、整体性造成明显影响，最终造成结构受损严重的后果。

例如，上下部楼层中的剪力墙分别呈现出外倾、内收的趋势，存在一定的位移量差值，如果任意楼层的剪力墙位移量超标，或是上下部位移量差值过大，都会改变框剪结构使用状况，出现剪切型曲线变形现象。

对此，设计师需要在方案中采取变形协调措施，分析计算结构在水平力作用时的受力特点与变形特点，在恰当部位设置平衡点，以及设置楼板与连梁，由平衡点起到中和剪力墙、框架二者受力变形情况的作用，确保框剪结构在受力状态，以及遭受地震能量冲击时，不会出现局部单独变形的问题，形成共同的变形曲线。

例如，在框剪结构中设置楼盖链杆
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和连梁，由二者形成总连杆，分别采取绞结、钢结方式来连接总连杆-框架、总连杆-剪力墙，起到墙肢约束弯矩、墙身转动约束的作用。

2.2 结构的受力条件
框剪结构与其他建筑结构形式的受力条件存在明显差异。

例如，剪力墙结构在受力时的变形速度、位移量二者呈现正比状态，且变形曲线的发展过程和悬臂弯梁曲线较为相似，在刚度影响下对结构水平方向受力进行等效分配。

框架结构在受力状态下产生一定的位移量，逐渐出现形变减慢的连锁现象，位移量越大，则形变减慢越明显，最终出现卡口型曲线变形现象。

相比之下，设计师通过在框剪结构中设置刚性楼盖，由楼盖将独立分布的剪力墙、框架进行紧密连接，由二者共同承受建筑水平荷载，以此来控制各楼层位移量，妥善处理建筑结构剪切变形和受弯曲变形单独影响问题。

同时，在水平范围内，框剪结构将呈现出反S 形的变形曲线，各部位剪力墙使用状态有所不同，下部形变量相对较小，设计师应注重此项问题。

3 高层框架剪力墙结构抗震设计方法3.1 机构设置
近年来，随着施工技术体系的日趋完善，高层建筑的规模体积持续扩大，这在增加建筑室内可用面积、缓解城市用地矛盾的同时，需要在框剪结构中布置更多数量的剪力墙，剪力墙刚度也有所增大，对建筑结构的承载性能、形态控制效果造成一定程度的影响，进而削弱了框剪结构在震中的抗震性能。

对此，为减小建筑物在震中的结构受损程度，设计师应在框剪结构中额外设置一批耗能减震装置，如塑性铰、剪切板耗能器、摩擦阻尼器、黏弹性阻尼器等，根据建筑结构布局情况来选择装置种类、计算装置安装数量和最佳位置。

如此，在高层建筑遭受地震能量冲击时，结构受力状态改变、变形量增加，这类装置在短时间内切换至非弹性变形状态，通过产生阻尼来吸收、消耗框剪结构体系中进入的一定比例地震能量，减小地震能量对建筑结构造成的冲击，间接层面上强化结构抗震性能。

而在高层建筑正常使用期间，耗能减震机构则保持弹性状态，确保框剪结构具备充足侧向刚度，不会对结构功能发挥、建筑物使用造成影响[2]。

3.2 优化剪力墙的抗震性能
3.2.1 设计肢墙面积及具体形式。

在框剪结构中，普遍采取双肢剪力墙和多肢剪力墙作为剪力墙形式，设置洞口数量较多与大开洞的剪力墙，也可将其视作为若干由连梁约束的墙肢
组成联肢墙，综合分析结构布局、墙体形式、墙体整体性等因素来计算最佳的肢墙面积。

随后，设计师在竖向施工缝以及洞口连梁等部位设置耗能机构，由此起到控制屈服部位与结构裂缝发育程度、震中吸收部分地震能量与调节剪力墙刚度等多重作用，预防和减少结构开裂、底部剪力墙在震中过早屈服等问题的出现。

3.2.2 设置梁柱结构。

为强化剪力墙抗震性能，设计师可选择在墙身周边部位额外设置梁柱构件，由梁柱、剪力墙共同组成边框剪力墙体系，在建筑物正常使用期间起到控制斜向裂缝发育程度的作用，在建筑物遭受地震能量冲击时，则起到抵抗附加剪应力、临时替代剪力墙、减轻建筑结构受损程度的作用。

同时，设计师应重点关注梁柱斜载面承载性能的问题，可采取梁柱表面粘贴抗剪加固纤维增强复合料等措施来强化承载能力。

3.2.3 分散布置。

为充分发挥剪力墙承受竖向力和水平的特性，有效控制抗侧刚度和自振周期，保障结构空间稳定性，设计师应遵循分散步骤原则，在框剪结构体系中的中轴线两侧分散布置剪力墙，优先将剪力墙布置在拐角、各楼层角落以及
不规则角等部位，根据工程情况来计算剪力墙安全间距，并检查总平面布局中相邻剪力墙的实际间距是否满足间距要求，对间距过小剪力墙的位置进行调整。

同时，为维持墙身与结构稳定性，设计师可以选择在各处剪力墙与结构薄弱环节中额外布置抗侧力构件。

3.3 优化框架结构的抗震性能
3.3.1 设置角柱。

设计师在建筑物角部和柱体正交的两个方向中分别设置一根框架柱，保持框架柱、框架梁的连接状态，形成角柱，由角柱起到有效连接纵横方向框架结构、改善框架整体性能与强化框架抗震性能等多重作用。

同时，还需要关注角柱保护与强化问题，在角柱外侧部位设置混凝土外墙起到保护作用，在角柱上设置锚固角钢与加固角钢起到强化作用。

3.3.2 设置钢筋混凝土剪力墙板。

在早期采取框剪结构形式的高层建筑工程中，存在框架剪力滞后的情况，对结构稳定性和抵抗力刚度造成明显影响，当出现地震灾害时，由此引发结构侧向过度位移状况的出现。

对此，设计师需要在框架结构中设置钢筋砼剪力墙板，通过剪力墙板来增加结构刚度、处理剪力滞后问题，在震中始终保持建筑结构原有状态，避免产生过大侧向位移量。

同时，按照K 型或是X 型来布置钢筋砼剪力墙板，在墙板上设置十字开口，以此来改善墙板延性，使墙板在震中发挥出消耗地震能量的作用[3]。

3.3.3 设置赘余构件。

在框架结构中，赘余构件起到承受
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组织共振效应出现、增加建筑结构赘余度的作用，本质上属于建筑抗震结构中额外设置的一种支撑件。

通过对赘余构件的设置，当建筑结构遭受地震能量冲击而损坏局部构件时，将由赘余构件替代受损部位继续发挥承载作用，避免因此出现一系列连锁反应、结构严重受损。

在现代高层建筑中，普遍设置钢纤混凝土材质的折曲支撑件，或是钢管材质的偏心连接支撑件作为赘余构件。

3.4 优化结构整体的抗震性能
3.4.1 设置塑性铰构件。

为改善框剪结构的形变控制能力和取得理想屈服效果，设计师应在结构内部的下连梁梁端、墙肢连梁交接处等部位加装塑性绞构件。

塑性绞作为耗能装置的一种，在震中最先切换至屈服状态并消耗地震能量，连梁比墙肢提前进行塑性变形，确保墙肢实际承载力优于连梁，以此来控制高层建筑结构的整体变形发展速度。

同时，也可在剪力墙结构底部设置塑性绞，剪力墙底部在震中因弯曲延性破坏而形成塑性绞，避免出现建筑物结构整体倒塌问题。

3.4.2 增强刚度和延性的一致性。

为实现框架、剪力墙二者在震中的同步状况，共同抵御外部作用力，必须保证刚度、延性的抑制状态。

例如，在剪力墙刚度较大的情况下，设计师遵循强柱弱梁原则，禁止在梁跨中等部位设置塑性绞，可将其设置在柱端、梁端等部位，起到提高框架部分延性的作用。

3.4.3 控制剪力墙的数量。

为兼顾结构抗震性能与工程造价成本，设计师必须综合分析场地类别、墙体厚度、建筑物层数、结构连接体系、当地震源位置等因素，采取平均压应力-墙截面面积法或是壁率法，计算最佳的剪力墙数量。

例如，从抗震设防烈度角度来看，烈度越高，表明地震对建筑结构的影响系数越大，需要随之增加剪力墙数量，烈度增高一度，则抗震墙数量需要增加一倍以上。

同时，计算剪力墙数量上限值，如果剪力墙数量无限度增加，会缩短建筑自振周期和加大地震作用力。

从场地类别角度来看，如果高层建筑建设在软弱场地土或是厚覆盖土层时，实际地震反应大于坚硬场地上的建筑物，需要适当增加剪力墙数量，以此来满足结构变形要求。

此外，要求最终拟定剪力墙数量满足《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）（2016年版）等规范要求。

例如，要求建筑底部剪力墙承受50%及以上的总地镇弯矩值，沿主轴方向布置剪力墙在弹性阶段的层间侧移角不得超过1/600与1/800[4]。

3.5 框架的参数分析及抗震端的设置
在框剪结构设计期间，设计师理应遵循实际出发原则，结
合工程情况与参照《建筑抗震设计规范》等相关规范要求，准确计算连梁跨高比、剪力墙数量、剪力墙面积、剪力墙刚度等参数的最优值，并使用BIM 等数据化工具来建立分析模型、开展仿真实验，观察建筑物在出现地震灾害后的结构受损情况、所产生剪切变形量，根据实验结果来改进方案内容、调整设计参数。

与此同时，对抗震端、框肢墙二者界面高度差进行计算，评估抗震端底部状态，如果实际界面高度差过大，则对抗震端设计内容进行优化调整，如减小界面高度差值、高强混凝土加固抗震端底部薄弱部位[5]。

3.6 框架部分内力的调整
框剪结构中，剪力墙、框架二者的受力状态不平衡，剪力墙承受过大比例的地震剪切力，震中的受损时间先于框架，存在安全隐患。

对此，设计时必须对框架部位的内力进行调整，调高框架部分实际承受的剪切力，将框架打造为高层建筑的第二道抗震防线，与第一道剪力墙防线相互配合。

同时，对楼板内力进行调整，保持楼板横向刚度分布状态，内力沿垂直方向均匀分布。

4 结束语
综上所述，为进一步强化建筑物结构抗震性能，改善建筑结构的外部灾害抵御能力，预防和减少建筑物倒塌等安全事故出现。

设计师必须提高对框剪结构抗震设计工作的重视程度，切实掌握结构抗震设计要点，积极采取合理的结构选型、剪力墙优化、框架部分优化等方面的优化设计措施，尽可能消除框剪结构中的抗震薄弱环节，满足建筑使用需求。

参考文献
[1] 曹光辉.高层框架剪力墙结构抗震设计[J].工程建设与设计,2022(2):1-3.
[2] 张正.高层框架剪力墙结构抗震设计研究[J].中国建筑金属结构,2020(12):88-89.
[3] 党亮,曲浩然.高层框架剪力墙结构抗震性能分析[J].建材世界,2020,41(2):39-41.
[4] 郝嵘,姚文聪,孙华敏,等.某超高层框架-剪力墙结构抗震性能化设计[J].建筑结构,2017,47(19):77-81,92.
[5] 高铭.框架-剪力墙结构抗震设计关键技术[J].建材与装饰,2018(26):105-106.。