裴琼红
湖南省常德市建筑设计院有限责任公司
摘要：随着社会经济的发展和城市人口的不断增长，为了节约用地，减少土地使用成本，建筑物的高度也越来越高。与多层建筑相比，高层建筑结构设计最大的特点就是层数较多，重力荷载较大，从而使其所受到的风荷载和地震作用影响也较大，因此对框架-剪力墙结构体系的设计提出了更高的标准和要求。本文主要围绕框架-剪力墙结构的设计提出了几点体会。
关键词：框架-剪力墙；变形特征；设计分析；优化措施
随着建筑行业的持续发展，框架结构被得到了广泛的应用。由于其具有房间布置上的灵活性，能够充分利用空间，因此在多层建筑设计中被广泛应用。但用在高层建筑中却存在着结构体系抗侧刚度偏小，楼层位移偏大而不能满足设计要求的缺陷。对于高层建筑来说，若要使纯框架结构满足设计要求，就必须加大框架柱和框架梁的截面面积，这样不仅会浪费材料，而且还严重降低了房屋的可使用空间；如果不增大结构构件尺寸，在纯框架结构平面中的适当位置加设部分剪力墙，不仅能弥补纯框架结构抗侧刚度不足的缺点同时又保留了框架结构的优点，这种结构形式就是框架-剪力墙结构。
一、框架-剪力墙结构的变形特征
框架-剪力墙结构由框架和剪力墙两部分组成，在高层建筑中，在水平荷载作用下，框架结构的侧向位移曲线沿竖向主要以剪切型为主，其侧向位移沿竖向的变化率表现为底部大而上部小；而剪力墙结构恰恰相反，由于其抗侧刚度较大，其侧向变形曲线沿竖向主要以弯曲型为主，侧向位移沿竖向的变化率表现为底部小而上部大。假定框架-剪力墙结构在左震作用下，结构的底部，由于剪力墙的变形小而框架部分的变形大，剪力墙对框架有向左的拉动作用，阻止框架向右的水平变形；而在结构的上部，由于剪力墙的变形大，框架部分的变形小，框架部分对剪力墙有向左推的作用，阻止剪力墙向右的水平变形，这样，使得框架-剪力墙结构的侧向变形曲线沿竖向呈反S型，结构向右总的水平位移值大大降低（相对于纯框架结构），框架和剪力墙中的内力分布也更趋合理。
二、框架-剪力墙结构的设计分析
（一）剪力墙的布置和数量
剪力墙在框架-剪力墙结构平面中的布置位置不同，对结构的整体性能影响很大，合理的剪力墙布置可以在布置较少剪力墙的情况下，结构的整体性能达到最优的效果，使结构即经济、适用又安全。一般来讲，剪力墙的布置遵循“均匀、分散、对称、周边”的原则，布置越均匀对称，结构的质量中心与刚度中心位置就越接近，在风荷载及各向水平地震作用下，结构的扭转效应就越小，从而大大降低了结构由于刚度中心与质量中心不重合而产生的附加作用，使构件在水平荷载作用下的效应减少，而大大降低结构构件的截面尺寸及钢材用量。
（二）结构体系、抗震等级的确定
框架-剪力墙结构中，框架柱与剪力墙主要通过楼面梁、板相连，三者之间的变形协调使结构形成整体刚度来达到共同抵抗荷载和地震作用的目的。框架柱承担水平地震作用与该层总的水平地震作用的比例，直接决定了按哪种结构形式计算。在结构竖向抗侧构件中，框架柱所承担地震作用的比例较少而剪力墙承担的比例较多时，该结构的动力特性就更接近纯剪力墙结构；相反，当框架柱所承担比例较多，而剪力墙所承担的比例较少时，该结构的动力特性就更接近框架结构。因此在设计过程中，一定要首先明确框架部分和剪力墙部分承担地震作用的贡献比例，来确定结构体系计算方法及相应构件的抗震等级，否则会造成设计失误而影响结构安全。
（三）0.2V0的调整
在框架-剪力墙结构的抗震设计中，采用“二道防线”的设计原则，第一道防线是剪力墙，在设防地震和罕遇地震作用下，剪力墙因为刚度大首先发生破坏，由于塑性内力重分布，框架部分分配的地震剪力比多遇地震作用下大很多，但框架部分按多遇地震作用下弹性计算分配的地震剪力一般很小，为了使框架部分有一定的承载能力确保整个结构体系安全，对于框架柱数量从下至上基本不变的情况，应保证各层框架柱部分至少能够承担对应于地震作用标准值的结构底层总剪力20%，否则应对地震剪力进行调整，即第二道防线，设计中需严格执行此条，才能保证结构合理的破坏机制，而达到预定的设防目标。
?三、优化框架-剪力墙结构设计的原则和措施
（一）有条件时优先设置边框柱
框架-剪力墙结构中的剪力墙，在柱网的轴线上，有条件时应设置边框柱和边框梁，这一点往往是提高结构抗震性能，节材省料的关键一环，主要原因是剪力墙四周采用边框梁和边框柱围箍起来对剪力墙的变形性能起到很好的约束作用，使得边框内的剪力墙开裂破坏时还能够作为一个整体继续承担较大的竖向和水平荷载，提高了结构的整体刚度，同时相比于单纯的剪力墙，可以大大提高该墙肢的承载力。
（二）剪力墙布置数量及楼板开洞要求
对框架-剪力墙结构，剪力墙的布置不宜过多，剪力墙布置过多，结构刚度越大，自重越大，所吸收的地震作用就越大，这样会增加结构构件的截面尺寸，既浪费材料且结构的可靠度并没有得到提高。同时，楼板的设计应与框剪结构的作用机理相统一，尽量不开洞，当不可避免时应尽量开小洞，并在洞口周边采取加强措施，从而使楼面梁板起到有效的连接作用，使框架柱与剪力墙能很好的协同工作。
（三）端柱在软件中的计算
端柱在框剪结构中很常见，一般设置在单片剪力墙的一端，用来约束该剪力墙，与相连的剪力墙一起承受搁置在端柱上的集中荷载（各层与之相交的梁所传来），同时端柱对该片剪力墙的平面外稳定也起到了一定的支撑作用；但需明确端柱不是真正意义上的柱而只是剪力墙的一部分，本质上还是墙，抗震等级及轴压比等均同剪力墙。在软件建模计算时，程序一般采用墙+柱的计算模式，即把柱按框架柱输入，这种输入方式经常出现计算结果异常的现象。主要原因是：首先，软件计算过程中柱子是杆元模型，而剪力墙为墙元模型，两者存在模型化差异从而产生计算误差。带端柱的剪力墙平面内刚度由柱刚度及剪力墙的平面内刚度构成，而剪力墙的面内刚度与有限元网格划分大小有关，使得剪力墙和柱子内力分配的变化幅度较大，当有限元网格划分越细，剪力墙的刚度越小，对应柱子刚度越大，端柱分配的内力越大；反之，当有限元网格划分越大，剪力墙的刚度越大，对应柱子刚度越小，端柱分配的内力越小，其次，墙单元的内力分配实际上主要与两者之间的轴压变形协调有关，而影响结构竖向变形的因素很多，有上部结构的原因也有地基的原因，目前要准确计算端柱与剪力墙肢这些变形差异很
困难，从而导致同一结构构件内端柱与墙肢的计算压应力水平差异很大而与实际不符。对此种情况的处理，通常直接按等长的单片墙输入到模型中，不考虑端柱的有利影响，而在施工图绘制的过程中按构造设计要求将端柱画进去，这样即能最大限度的保证模型与实际情况的统一，也便于软件的实现，同时也能保证结构的安全。
（四）基础设计的注意事项
框架-剪力墙结构中，由于剪力墙布置区域的刚度往往相比于框架柱大且集中很多，往往此区域内分配的地震作用也大很多，这样导致在考虑地震作用情况下剪力墙下基础尺寸（或桩数）相比正常使用情况大很多，而框架柱下基础却无太大变化，从而导致在正常使用情况下，剪力墙下基础与框架柱下基础之间的沉降差过大而使结构破坏，因此在设计的过程中，需要充分考虑此因素，对此情况应复核两者之间的沉降差是否满足要求，除此之外，还要采取适当措施减少两者之间的沉降差，比如当采用天然地基确定剪力墙下基础面积时考虑其下地基土的深宽修正，而框架柱部分不考虑等，使两者之间沉降趋于均匀。
四、结束语
综上所述，框架-剪力墙结构体系由于能够提供足够的抗侧刚度和更灵活的使用空间而广泛应用于高层建筑以及高烈度地区的多层建筑中。本文主要探讨了框架-剪力墙结构的变形特征、设计方法及相关优化措施。由此可以看出，只有概念准确，设计方法及措施得当，才能在设计过程中抓住主要矛盾，在满足安全、适用、经济的前提下实现框架-剪力墙结构整体性能的提升。
参考文献
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