框架剪力墙抗震性能分析及设计

框架—剪力墙结构抗震性能分析及设计

【摘要】：框架剪力墙结构也称框剪结构，这种结构是在框架结构中布置一定数量的剪力墙，构成灵活自由的使用空间，满足不同建筑功能的要求，同样又有足够的剪力墙，有相当大的侧向刚度。本文分析了框架—剪力墙的工作原理，对其结构受力性能进行了分析，探讨了框架一剪力墙结构的抗震性能，指出该体系结构整体的受力性能，并总结了提高了结构的抗震能力的方法。

【关键词】：框架—剪力墙结构抗震性能刚度

一、框架剪力墙受力特点

框架一剪力墙结构中,由于剪力墙刚度大,剪力墙将承担大部分水平力,是抵抗水平荷载的主体,使得整个结构的侧向刚度大大提高。框架则承担竖向荷载,提供较大的空间,方便灵活布置房间,同时也承担少部分水平力。框架本身在水平荷载作用下呈剪切形变形,剪力墙则呈弯曲形变形。当两者通过楼板协同工作,共同抵抗水平荷载时,由于变形协调一致,因此侧向变形将呈弯剪形。其上下各层层间变形趋于均匀,并且顶点侧移减小。同时,框架各层层间剪力趋于均匀,各层梁柱截面尺寸和配筋也趋于均匀。由于上述受力变形特点,框架一剪力墙结构比框架结构的刚度和承载能力都大大提高了,在地震作用下层间变形相对减小,因而也就减小了非结构构件的损坏。

框剪结构将框架和剪力墙结合起来,既可以使建筑平面灵活布置,按照建筑设计的需求较为自由的进行房间划分,又可以依靠剪力墙与框架共同作用,使整个结构的抗侧刚度增大,大大减小结构本身的侧移,使结构具有较好的抗震性能。因此,在抗震等级要求较高的地区,应优先采用这种结构体系;同时,我们在进行抗震设计时,基本上可以不考虑填充墙在地震发生时的作用,只让其充当一个分隔房间的作用,抗震通过剪力墙来加强。因此,在剪力墙的设计中,如何布置剪力墙,以及合理确定剪力墙的厚度、长度、数量和配筋率等都关系到结构的安全和经济效益问题。

二、框架—剪力墙耐震性能

1、框架与剪力墙的协同工作原理

框架一剪力墙结构是由框架和剪力墙两种不同的抗侧力单元组成，这两种抗侧力单元在水平荷载作用下受力特点和变形性能各不相同。框架变形曲线为剪切型，楼层越高，层问位移越小；而剪力墙的变形曲线呈弯曲型，剪力墙是竖向悬臂弯曲结构，楼层越高水平位移越大。通过楼板把框架和剪力墙联系在一起后，由于楼板在其自身平面内侧移刚度很大，这样就迫使在各层楼板标高处共同变形，从而产生协同变形的效应，其变形曲线为弯剪型。

在协同工作时，在结构下部剪力墙单元变形将增大，框架单元下部变形减小，结构上部的正好相反，这就使得框架一剪力墙结构的变形下部要小于框架结构，而上部要小于剪力墙结构，结构各层的变形趋于均匀化，比单独某种结构时表现出更好的变形特性。要使框架与剪力墙协同工作，框架与剪力墙的合理布置就显得尤为重要，剪力墙的布置宜分布均匀，单片墙的刚度宜接近，长度较长的剪力墙宜设置洞口和连梁形成双肢墙或多肢墙，每段剪力墙底部承担水平力产生的剪力不宜超过结构底部总剪力的4O％，框架部分承受的地震倾覆力矩控制在结

构总地震倾覆力矩的3O％左右为宜，且不大于5O％。

2、剪力墙在框架剪力墙中的作用

根据规范要求,在划分构件抗震等级时,对于高度和设防烈度相同而采用不同结构体系的房屋.同样一种构件,抗震等级是有差别的。框一墙体系中的抗震墙,其抗震等级比承重墙体系中的一般抗震墙高一级;框一墙体系中框架的抗震等级比框架体系中的框架低一级。这是因为在地震作用下,框一墙体系楼房中的剪力墙,几乎承担了总水平地震作用的80%以上,所有框架所承担的水平地震作用之和不到总值的20%。就承担水平地震作用这一点而言,抗震墙是主要构件,位于第一线;框架则退居到第二线,是次要构件。由此可以看出,框剪结构中的剪力墙在抗震方面起着非常重要的作用,是研究的重点内容。

3、剪力墙对框架一剪力墙结构抗震性能影响

目前，国内外已经做了很多关于剪力墙的试验，并且取得了很多成果，在水平地震作用下，框架一剪力墙结构的屈服顺序为：剪力墙根部一框架各层梁端一框架各柱根部，剪力墙的屈服和耗能能力对整个结构的承载力和变形性能影响很大。当弹塑性变形较大时，结构的性能主要取决于剪力墙根部截面的性能。框架一剪力墙结构是由框架和剪力墙两种变形形式不同的结构组成，而且其侧向力主要由剪力墙承受，故只要剪力墙具有良好的变形能力和抗力性能，特别是剪力墙根部的变形能力较好，就可以有效地保证整个结构的变形能力，满足抗震设防的“三水准”的设计原则。

剪力墙的存在可以使各层的塑性变形集中现象减少，而且剪力墙使得框架一剪力墙结构增加了滞回耗能能力，使强度、刚度退化不是很严重，增强了抗震性能，根据试验资料知道，框架一剪力墙的滞回曲线比较饱满，滞回环的捏拢现象减小。

三、框架—剪力墙设计

框架一剪力墙由框架和剪力墙两种不同的抗侧力结构组成,为了达到较强的抗震能力,其结构布置除应符合其各自的相关规则外,框架和剪力墙的布置还应满足以下一些要求:

(1)、框架一剪力墙结构应设计成双向抗侧力体系,主体结构构件之间不宜采用铰接,应尽量采用刚接。抗震设计时,两主轴方向均应布置剪力墙。梁与柱或柱与剪力墙的中线宜重合,框架的梁中线与柱中线之间的偏心距不宜大于柱宽的1/4。因此柱的设计尽量采用截面较小的柱子。

(2)框架一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:

①剪力墙布置位置应均匀对称。一般布置在建筑物的四周、楼电梯间、平面形状变化转折处以及恒载较大的部位;在伸缩缝、沉降缝、防震缝处不宜同时设置剪力墙。

②平面形状凹凸转折较大时,宜在凸出部分的端部附近布置剪力墙。

③剪力墙布置时,如因建筑设计的原因,纵向或横向一个方向无法设置剪力墙时,该方向可采用壁式框架或支撑等抗侧力构件,但是,两方向在水平力作用下的位移值应接近。壁式框架的抗震等级应按剪力墙的抗震等级考虑。

④剪力墙的布置宜分布均匀,单片墙的刚度宜接近,长度较长的剪力墙宜设置洞口和连梁形成双肢墙或多肢墙,单肢墙或多肢墙的墙肢长度不宜大于8m。每段剪力墙底部承担水平力产生的剪力不宜超过结构底部总剪力的40%。