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结构概念设计在框架—剪力墙结构体系中的应用

发表时间：2020/10/19 来源：《基层建设》2019年第19期作者：李奕君黄鹏飞

[导读] 摘要：框架剪力墙结构又被称为框剪结构，主要是指在框架体系设计中加入一定数量的剪力墙，这种结构空间使用较为灵活，同时具有较强的刚度。本文主要阐述框架剪力墙结构在受力以及变形方面的特征，并且提出设计中所需要具体注意的问题，希望相关研究设计人员借鉴和参考。

        中国市政工程中南设计研究总院有限公司湖北武汉 430010
        摘要：框架剪力墙结构又被称为框剪结构，主要是指在框架体系设计中加入一定数量的剪力墙，这种结构空间使用较为灵活，同时具有较强的刚度。本文主要阐述框架剪力墙结构在受力以及变形方面的特征，并且提出设计中所需要具体注意的问题，希望相关研究设计人员借鉴和参考。
        关键词：结构概念；框架剪力墙；结构体系
        1前言
        建筑结构要想获得较大的使用空间，结构设计师通常采用框架结构墙结构体系来完成这一任务。建筑物的剪力墙结构能够有效提升结构抗剪能力以及抗横向弯曲的能力，框架剪力墙结构有框架结构的优点也有剪力墙结构的优点。框剪结构应用较为广泛，成为建筑结构形式的首要选择形式。
        2结构特点
        在框架和剪力墙之间充当连接物的主要是梁板结构，剪力墙在下部楼层位移比较小，因此自身承担了建筑物大量的剪力；上部楼层由于剪力墙的大幅度移动而使得框架结构变形比较小。框架剪力墙结构中的框架体系能够有较好的延展性能，剪力墙结构有着较强的抗侧力刚度，同时连梁具有较良好的耗能性能，这三者之间构成坚固的结构体系。框架和剪力墙的受力特点以及变形特点各不相同。如果在水平作用力条件下，剪力墙呈现竖向悬臂弯曲结构，其受力的变形曲线呈现弯曲型，这种受力特性是楼层越高其结构位移会越大，位移增长也会越快。框架结构在受力作用下，呈现出一条剪切型曲线，楼层越高，增长越慢。框剪结构中，既含有剪力墙结构又含有框架结构，剪力墙结构和框架结构能够通过楼板连接在一起，在水平力作用下，框剪结构水平位移保持一致，自由变形受到限制，在不考虑扭转特性前提下，框剪结构同一楼层水平位移保持一致性。因此框剪结构的受力变形曲线一般呈现反s形状。
        框架剪力墙结构在水平作用力体系下，考虑到其所具有的侧向变形特征，在下部楼层，框架与剪力墙之间协同作用，剪力墙位移较小，剪力墙结构能够拉着框架变形，剪力墙结构同时也承担了大部分剪力，在底部楼层，剪力墙结构约承担整个楼层剪力的80%左右；上部楼层则情况相反，剪力墙的位移较大，框架结构的变形比较小。
        在遇到地震作用条件下，如果考虑到结构的位移曲线以及弹性曲线，随着地震作用力不断增大，非线性曲线与弹性曲线之间距离越来越大，这种现象在楼层上部表现更为明显，因此在地震的作用下，结构的非线性特征更为凸出。
        3框架剪力墙结构设计
        3.1 剪力墙结构设计
        剪力墙在进行结构设计中，主要强调的是均匀布置，更加强调对称性，剪力墙主要依照双向布置的原则，主要布置在建筑物的周围，可能会产生较大荷载的位置。剪力墙在设计中，尽量采用全高的形式，主要的原因是可以形成较大的空间结构，在整体刚性上也能够避免发生突变。
        在设计剪力墙的墙肢时，整体截面要规则，并且简单，不能出现较为复杂的截面。当剪力墙的平面形状具有较大的凹凸性时，适宜在凸出的位置布设剪力墙。在纵轴方向上，剪力墙主要呈现L型，也有T型以及槽型，剪力墙自身在刚度上不宜过大，主要的目的是防止剪力墙在高度范围内发生刚性的突变现象，所选择的剪力墙只要其抗侧刚度符合条件要求即可。
        剪力墙在形式上选择完毕之后，需要确定剪力墙的数量。剪力墙的数量将直接影响项目工程造价，同时也会影响项目的整体刚度情况。剪力墙如果选择的刚度比较小，框剪结构在遇到水平外力时，剪力墙结构会产生较大的变形，无法满足实际的施工需求。剪力墙选择较大的刚度，会使用更多的钢筋和混凝土材料，但是刚度的选择需要与建筑物所受到的荷载挂钩，并不是说刚度越大其安全性能就越高，在满足实际需要的前提下，还是需要尽可能精简剪力墙的数量，尽可能减小剪力墙材料的浪费。

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在实际设计中，一般按照剪力墙的墙比率来确定剪力墙的数量，所谓剪力墙的墙比率，主要是指剪力墙在单位面积中应该具有的长度，大约为50毫米每平方米。确定剪力墙数量的另一个办法是借助于剪力墙的面积率指标，也就是说单层楼层面积中剪力墙的面积所占的比重。经验数据得知，剪力墙面积率在2%~4%之间比较合适。
        对于剪力墙在竖向以及水平上的钢筋布设，要严格按照配筋率要求，如果执行非抗震设计的钢筋配筋率不小于0.2%。如果按照抗震设计时，都应该不小于0.25%，并且剪力墙应该双排布置。当剪力墙的截面厚度与框架的量宽整体相等时，框架梁截面高度可以取墙厚的两倍，同时框架梁配筋按照规范标准要求进行配置。剪力墙水平布置能够起到横向抗剪的作用，并且抵抗温度应力，防止墙体出现剪力破坏，也能够预防裂缝发生。当建筑高度较高时，配筋率应该要增大，当建筑物温度以及刚度等敏感因素指标发生变化时，也应该增大配筋率。
        对于剪力墙高和宽来说，其高和宽普遍尺寸较大，剪力墙受力形态接近于柱体。剪力墙的高与厚的比值小于4，可以按照柱体进行设计，当比值大于4，应按照双向受压构件进行设计，这样可以防止墙体稳定性受到破坏，从而出现墙体失稳现象。高层建筑在进行结构设计时，要充分运用概念设计，对于墙体的截面强度进行验算，以保证整个剪力墙受力的结构稳定性。
        3.2 框架部分概念设计
        如果剪力墙刚度率大幅度下降，则整个建筑物结构总体抗侧向刚度能力降低，而使得整个结构自振周期增大。剪力墙周边的框架结构可以做为第二道防线。
        4框架剪力墙结构抗震设计
        框架剪力墙结构融合了两种结构形式的优点，因此，在设计中如果平面布置合理，可以起到1+1＞2的良好局面，使得建筑物整体具有较大的抗侧向刚度，同时楼层之间变形以及位移较为缓和，能够通过合理的空间布置获得较大的空间，形成多道抗震防线。
        第一，在结构抗震设计中，双连梁的剪力墙其在结构稳定性和延展性方面都比深连梁要好，但是双连梁的极限承载能力与抗侧向弯度的能力要比深连梁低一些。
        第二，剪力墙是框剪机构抗震的第一道防线，因为剪力墙自身的延展性比较好，非常适宜在地震中吸收能量，减小其对建筑物的影响。在众多剪力墙结构中，双肢剪力墙有较好的延展性，因此是非常好的抗震结构。各楼层之间连接梁形成大量塑性铰，这些塑性铰能够起到吸能和耗能的作用，因此能够有效提升剪力墙的延展性，防止出现底层墙铰。
        第三，对于跨度比较大的连梁，其结构延展性难以符合实际要求。因此连梁对于剪力墙延展性应该有一定的限度，可以提升剪力墙的承载能力，以便于发生弹性形变时，能够吸收大部分能量，但是这种做法不够经济。
        5 结束语
        框剪结构是目前城市结构选型中一种广泛采用的设计形式，在设计框架结构时，应该从建筑物实际出发，根据框架剪力墙结构的受力特性以及变形特点，再结合项目本身特点，合理确定框剪结构参数，并且对剪力墙配筋数量以及剪力墙的平面设置进行规范化，以获得更好的结构性能。
        参考文献
        [1]陈伯望,王海波.底部框架—抗震墙房屋抗震墙数量的简化确定方法[J].工程抗震与加固改造,2005(2).
        [2]沈蒲生,孟焕陵.基于优化原理框—剪结构中剪力墙合理数量[J].湖南大学学报:自然科学版,2006(5).
        [3]黄世敏,魏琏,程绍革,衣洪建,赵斌.地震区框架 - 剪力墙结构最优剪力墙数量的研究[J].工程抗震,2006(1)
        作者简介：姓名：李奕君（1992.08--）；民族：汉；性别：男；籍贯：重庆开州；学历：本科；毕业于重庆大学城市科技学院；现有职称：助理工程师；研究方向：市政结构。