高层建筑框架剪力墙结构设计中几个问题的探讨

高层建筑框架剪力墙结构设计中几个问题的探讨
摘要：人们在享受高层建筑所带来的益处的同时, 也面临了新的问题。

就是高层建筑的承重问题。

于是越来越多的剪力墙结构被广泛的应用在高层建筑中。

本文介绍了剪力墙结构优缺点，探讨了高层建筑框架剪力墙结构设计要点。

关键词：高层建筑框架剪力墙优缺点结构设计
中图分类号： tu318 文献标识码： a 文章编号：
在高层框一剪结构中，剪力墙是主要抗侧力构件，几乎承担了80% 以上的水平地震作用，剪力墙刚度的大小将直接影响到结构的安全性及工程造价。

在结构设计时，框一剪结构中剪力墙的数量，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侧向变形。

一、剪力墙结构优缺点
剪力墙结构的优点主要有：
（1）剪力墙结构刚度大，整体性好，用钢量适中；（2）剪力墙外观整齐，解决了框架结构露梁、露柱现象，减少承重墙数量，降低成本。

剪力墙结构因其明显的优点而成为目前高层住宅中主要采用的
结构形式，但是剪力墙结构的设计中仍要解决以下几个问题：（1）剪力墙结构要求抗侧刚度大，使得上部结构和基础费用增加，地震反应也越大；
（2）剪力墙结构墙体多为构造配筋，配筋率过低会造成结构延
性差。

二、高层建筑框架剪力墙结构设计探讨
1、框架- 剪力墙结构体系的受力特点
框架结构的变形特性具有剪切型的特点, 位移越往上增大越慢, 呈内收形开口曲线, 其变形曲线为剪切型( 见图1) , 在纯框架结构中, 所有框架的变形曲线都是类似的, 所以, 水平力按各框架的抗推刚度d 比例分配。

剪力墙结构的位移曲线具有悬臂弯曲梁的特征, 位移越往上增大越快, 呈外弯形开口曲线( 见图2) 。

在平面内有很大的抗弯曲刚度, 在一般剪力墙结构中, 所有抗侧力构件剪力墙的侧移曲线都是类似的, 水平力在各片剪力墙之间按其等效刚度ei 比例分配。

而在框架-剪力墙结构中, 框架和剪力墙之间通过平面内刚度无限大的楼盖连接在一起共同抵抗水平力, 以至于它们不能单独按各自的弯曲变形或剪切变形而自由变形, 它们在同一楼层的位移必须相等( 在不考虑扭转的情况下) 。

因此, 框-剪结构水平位移特征处于框架和剪力墙之间, 为反s 形曲线, 是弯剪型( 见图3)
图1框架单独侧移图2剪力墙单独侧移
图3框架剪力墙共同工作
因此, 在框-剪结构中, 剪力墙在下部楼层变形小, 承担了近80%以上的水平剪力, 而在上部楼层, 框架变形小, 可以协助剪力
墙工作, 抵挡剪力墙的外拉变形, 从而承受很大的水平剪力。

所以, 框-剪结构是框架和剪力墙两种结构水平变形的有机协调,从而达
到减少结构变形, 增强结构侧向刚度, 提高结构抗震能力的目的, 在结构设计中具有很强的适用性。

2、框架- 剪力墙结构中剪力墙的布置
剪力墙的布置一般原则是均匀、分散、对称、周边及均匀,分散
原则是要求剪力墙片数不要太少, 而且每片剪力墙刚度不要太大,
连续尺寸不要太长,使抗侧力构件数量多一些,分散一些,每片剪力
墙的弯曲刚度适中, 在使用中不会因为个别墙的局部破坏而影响
整体的抗侧力性能, 也不会使个别墙的受力太集中,负担过重而引
起过早的破坏,刚度过大的墙承担的内力也大,相应的基础处理难
度增加,同时也考虑到剪力墙相距太远,楼面刚度要求大,很难满足
要求,周边的原则是考虑建筑物抵抗扭转能力,便于保证刚度中心
与平面中心相吻合。

剪力墙布置在周边对称位置,增加抵抗扭转的内力臂,在不增加
剪力墙面积的情况下,提高抗扭转能力，剪力墙布置的位置应设在
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；高层建筑的楼梯间、电梯间、管道井处等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,如楼梯间、电梯井道处、竖向管道井设计加强的钢筋混凝土墙是十分有效的,剪
力墙的间距:现浇钢筋混凝土楼盖l/b=2～4 为宜；装配整体式钢筋混凝土楼盖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,剪力墙应沿建筑物全高设置,不得沿高度有突变,剪力墙应落地,剪力墙并应在两个主轴方向组合部署成l 形、t 形或形成封闭的筒, 这样可以提高剪力墙自身的刚度，且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, 过长的剪力墙中央部分的钢筋尚未到达屈服阶段,墙端部的钢筋早因变形过大而断开破坏、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。

3、确定剪力墙的厚度
在框剪结构中剪力墙宜有边缘约束构件即: 边框柱和边框梁,在规范中有规定:带边框剪力墙的截面厚度为: ( 1 ) 抗震设计时, 一、二级剪力墙的底部加强部位的厚度均不应小于200mm, 且不宜小于层高的1/16 ; ( 2 ) 其他情况不应小于160mm, 且不应小于层高的1/20 。

边框梁的宽度宜与墙同厚, 高度可取墙厚的2 倍。

所以一个合理的剪力墙厚度具有结构安全(包括在施工中混凝土浇筑时由于浇筑质量不高所造成的隐患等等)、经济合理(合理的厚度以及钢筋级别在设计中都应有考虑, 主要是涉及到最小配筋率的
问题)等特点。

鉴于此, 剪力墙的厚度在满足层高的1/16 或者1/20 的前提下, 取200mm 为宜。

在这里应该强调的一点是, 一般情况下由于基础的埋置深度比
较大而导致底层的层高比较高, 从而也就要求底层剪力墙的厚度比较大。

但还应该注意到, 墙体的厚度对墙体稳定性的影响其重要性是不言而喻的。

因此要在保证墙体稳定性的前提下, 尽量不把层高较高楼层的剪力墙做的太厚。

4、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。

用结构自振周期校核剪力墙布置数量是否合理, 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, 位移限制能宽松的满足, 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, 结构自振周期的合理范围大致在:
t1=(0.09- 0.12)ns
式中: ns———楼层数
剪力墙数量多框架—剪力墙结构刚度就大一些, 地震时周期短地震力也加大一些, 材料耗量增大。

日本震害调查表明: 当每m2 楼面平均剪力墙长度少于50mm 长时, 震害严重; 在50 — 150mm 之间时, 震害中等; 长150mm 以上, 震害轻微, 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。

5、框架－剪力墙中连梁设计
框架－剪力墙结构中框架与剪力墙、剪力墙与剪力墙的连接方式有铰结与刚结两种。

铰结为通过楼板连接来保证剪力墙与框架协同工作，刚结为通过连梁连接来保证剪力墙与框架协同工作。

在铰结体系中，由于没有考虑连梁的约束作用，使得楼板作用显著，要保证剪力墙与框架协同变形和工作，楼板必须绝对刚性。

在刚结体系中，连梁对墙和柱都会产生约束，连梁将承担着较大的剪力和弯矩，约束作用明显，并可以与楼板一同作为连接构件，传递弯矩、剪力、轴力。

当结构遭受小于其设防烈度的多遇地震时，整个结构处于弹性工作阶段。

当遭受高于其设防烈度的罕遇地震时，连梁形成塑性铰消耗地震能量，结构刚度降低，自振周期加大，地震力降低，减轻结构破坏。

但由于连梁跨高比小，两端连接的墙或柱刚度差异较大，连梁变形产生较大的内力而破坏。

连梁破坏有脆性的剪切破坏和延性的弯曲破坏，设计时应尽量避免连梁发生剪切破坏，让连梁先屈服，形成塑性铰。

连梁设计时可以考虑以下措施:
（1）对连梁的刚度进行折减，既保证了塑性铰出现在连梁上，又减少其内力，满足结构设计要求。

高层建筑混凝土结构技术规程5. 21 规定，在内力与位移计算中，抗震设计的框架－剪力墙或剪力墙结构中的连梁可予以折减，折减系数不宜小于0. 5。

结构设计中，连梁折减系数一般取0. 7。

（2）若连梁刚度折减后内力还是过大，截面设计困难，可在连梁截面高度的中间开设水平通缝。

（3）为保证连梁的延性，设计时应做到“强墙( 柱) 弱梁”，“强剪弱弯”，截面尺寸应符合规范设计要求。

（4）不宜将楼面主梁支承在连梁上。

参考文献：
[1] 薛云飞,马晓霞.谈剪力墙结构设计中的几个问题[j].陕西建筑,2008(6).
[2] 胡景云.论剪力墙结构优化设计[j].建材世界,2011(2).。