论文部分内容阅读
摘要：框剪结构由于具有广泛的适用性和良好的抗震性能，在我国的房屋建筑中得到了大量应用。这种结构是在框架结构中布置一定数量的剪力墙，由它们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，有相当大的刚度。本文对框剪结构的受力进行了分析，提出了剪力墙的布置方案，并对框剪结构设计中的一系列问题进行了探讨。
关键词：受力布置剪力墙抗震设计
框架——剪力墙结构，是框架结构和剪力墙结构两种体系的结合。框架能获得大空间房屋，房间布置灵活，而侧向刚度小，侧移大。剪力墙结构侧向刚度大，侧移小，但不能提供灵活的大空间房屋。框剪结构吸取了各自的长处，既能为建筑平面布置提供较大的使用空间，又具有良好的抗侧力性能。框剪结构中的剪力墙设置灵活，可以单独设置，也可以利用电梯井、楼梯间、管道井等墙体。因此，框剪结构被广泛地应用于各类房屋建筑。
一、框剪结构受力分析
（一）受力特点
框剪结构是框架和剪力墙结构两种不同的抗侧力结构组成的新的受力结构形式，所以它的框架不同于纯框架中的框架，剪力墙在框剪结构中也不同于纯剪力墙结构中的剪力墙。剪力墙的侧移刚度远大于框架，因此剪力墙分配到的剪力也将远大于框架。由于框架和剪力墙的荷载和剪力分布沿高度在不断调整。框架结构在水平力作用下，框架与剪力墙之间楼层剪力的分配比例和框架各楼层剪力分布情况随着楼层所处高度而变化，与结构刚度特征值直接相关。框剪结构中的框架底部剪力为零，剪力控制部位在房屋高度的中部甚至在上部，而纯框架最大剪力在底部。因此，当实际布置有剪力墙(如：楼梯间墙、电梯井道墙、设备管道井墙等)的框架结构，不应简单按纯框架分析，而必须按框架结构协同工作计算内力。
（二）剪力墙的计算方法
剪力墙所承受的竖向荷载，一般是结构自重和楼面荷载，通过楼面传递到剪力墙。竖向荷载除了在连梁（门窗洞口上的梁）内产生弯矩以外，在墙肢内主要产生轴力。可以按照剪力墙的受荷面积简单计算。在水平荷载作用下，剪力墙受力分析实际上是二维平面问题，精确计算应该按照平面问题进行求解。可以借助于计算机，用有限元方法进行计算。在工程设计中，可以根据不同类型剪力墙的受力特点，进行简化计算。
二、剪力墙的布置
剪力墙的方案布置、墙量的多少、墙片的大小应合理。由于底部框墙结构中的剪力墙属低矮墙，其抗剪刚度相对较大，如果布置的墙肢较长、平面形式复杂，很容易出现局部刚度过大，受力过于集中的现象，甚至经常出现只布置极少的剪力墙就满足上下层抗侧刚度比限值的情况。因此在剪力墙布置方案上一定要坚持均匀、对称、周边、分散的原则。
（一）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%；纵向剪力墙宜布置在结构单元的中间区段内。房屋纵向长度较长时，不宜集中在两端布置纵向剪力墙，否则在平面中适当部位应设置施工后浇带以减少混凝土硬化过程中的收缩应力影响，同时应加强屋面保温以减少温度变化产生的影响。
（二）在布置底层剪力墙时应尽量对应上部上下竖直、中间不间断的墙体，否则即使底层布置的剪力墙刚度再大，若竖向无对应的上部墙体，不仅传力途径不直接，且上下层刚心相距较远，地震时上部墙体与底层剪力墙间会形成很大扭矩，极易破坏。
（三）剪力墙应尽量布置成L形和T形，以使它们相互支撑，增大每片单肢墙的平面外刚度，增强抗扭性。具体设计时剪力墙的长度、开洞等均需通过计算确定。剪力墙的计算长度确定后、应将实墙面布置在两端中间用洞口分隔，避免采用一端有剪力墙而另一端为独立柱的方式。总之混凝土剪力墙具体布置时宜开设洞口形成若干墙段，并保证各墙段高宽比不小于2。
三、剪力墙合理数量的设置
影响剪力墙配置数量的主要因素包括地震设防烈度，房屋高度，剪力墙布置形式、长短、位置、风载大小，场地类别等。剪力墙设置数量，必须符合下列要求：剪力墙承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%；两个主轴方向在地震力作用下，弹性层间位移角θe应小于1/800；自振周期合理范围T1=(0.08～0.12)n，n为建筑总层数；刚度特征值“λ”宜在1.0～6.0范围内；框架各楼层水力剪力应大于0.2Vo及1.5θmax(两者小值)。总之，剪力墙如何布置，数量多少，关系到体系安全和技术经济合理性。从抗震角度出发，多设剪力墙可以提高建筑物的抗震性能；从经济角度考虑宜少设剪力墙，如何使二者优化，值得我们探究。实践证明：当地震烈度大，层数多，楼层高宜多设剪力墙；当房屋平面尺寸接近时，主轴两个方向剪力墙的数量宜相近。
四、墙体配筋率的设计
目前在“砼规”11.7.11条文强制规定在一、二、三级抗震等级的剪力墙中，竖向和水平分布筋的最小配筋率均不应小于0.25%；部分框支剪力墙底部加强部位的配筋率不应小于0.3%。
（一）墙的水平分布筋是为横向抗剪以防止墙体在斜裂缝出现后发生脆性剪切破坏，同时起到抵抗温度应力防止砼出现裂缝，框剪结构设计中时配筋宜适当增加，特别在连梁部位或温度、刚度变化等敏感部位宜适当增加。
（二）墙的竖向钢筋主要起抗弯作用，目前在一些多层，低高层剪力墙中电算结果多为构造配筋；但配筋时所取的配筋率有人往往扣除了约束边缘构件或构造边缘构件中的钢筋，笔者认为竖向最小配筋率应该包括边缘构件中的钢筋，墙肢的豎向配筋原则也应该尽量将钢筋布置在墙端部边缘区并保证钢筋间距≦300mm，同时注意防止竖筋过多使墙的抗弯强度大于抗剪强度，对抗震不利。
五、过渡楼层设计
底层框架——剪力墙结构具有较好的承载、变形和耗能能力，其破坏状态一般为延性破坏；上部砖房部分虽具有一定的承载能力，但变形和耗能能力相对较差，其破坏状态多为脆性破坏。在上部砖房中，过渡楼层墙体承受地震剪力和倾覆力矩最大，受力最为不利。此外，在竖向均匀荷载作用下，过渡楼层墙体处于压剪或拉剪应力状态。因此当有水平荷载作用时，过渡楼层墙体与落地墙体相比，其抗裂性能和水平承载力均相应降低。试验表明，在竖向及反复水平荷载作用下，过渡楼层墙体的水平承载力约降低20%～30%。因此，过渡楼层应每开间设置构造柱和圈梁，形成弱框架体系，以增强过渡楼层传递地震剪力的能力，同时还将大大增加延性和耗能能力。
六、抗震设计
就抗震性能而言，砖混、框架、框架剪力墙结构代表着建筑进步的不同阶梯。框剪结构是公认的抗震性能最好的建筑结构。为了能够使剪力墙和框架同步工作，可采用：
（一）带竖缝剪力墙
竖缝剪力墙在水平力作用下所产生的侧移，不再是以墙体的剪切变形为主而是以并列柱的弯曲变形为主，原来墙面上的斜向裂缝被并列小柱上、下端的水平裂缝代替。由于剪力墙的力学性能由剪切转变为弯曲，弹性极限侧移值加大，延性改善，弹塑性耗能增加，避免了普通抗震墙斜裂缝出现后的刚度严重退化。
（二）采用较好的延性偏交支撑
主要构造是交叉直撑的交叉点处用拼接板、高强螺栓与阻尼材料组成，在小震时，叉点处提供足够的强度和刚度，像普通直撑那样工作。在强震时，上撑与下撑 (或左撑与右撑 )之间可相对滑动，导致刚度大大下降，可提高剪力墙和框架之间的协同工作能力。
七、结束语
总之，钢筋混凝土框剪结构设计是一个长期、复杂甚至循环往复的过程，任何在这过程中的遗漏或错误都有可能使整个设计过程变得更加复杂或使设计结果存在不安全因素。随着我国经济的发展，人民生活水平进一步提高，用户对房屋的功能提出更高的要求，人们希望建筑物在使用过程中具有更大的灵活性，能够适应多功能变换的需求。因此，设计单位在拿到开发单位的设计意图后，应本着经济美观，安全适用的原则多为社会设计出更好的产品。
参考文献：
1. 范永敏：《浅析框架剪力墙结构设计技巧》，《工程建设与设计》，2009年第5期。
2. 朱炳寅：《配置少量剪力墙的框架结构建筑结构》，《技术通讯》，2007年第5期。
3. 朱炳寅：《建筑结构设计规范应用图解》，中国建筑工业出版社，2005版。
关键词：受力布置剪力墙抗震设计
框架——剪力墙结构，是框架结构和剪力墙结构两种体系的结合。框架能获得大空间房屋，房间布置灵活，而侧向刚度小，侧移大。剪力墙结构侧向刚度大，侧移小，但不能提供灵活的大空间房屋。框剪结构吸取了各自的长处，既能为建筑平面布置提供较大的使用空间，又具有良好的抗侧力性能。框剪结构中的剪力墙设置灵活，可以单独设置，也可以利用电梯井、楼梯间、管道井等墙体。因此，框剪结构被广泛地应用于各类房屋建筑。
一、框剪结构受力分析
（一）受力特点
框剪结构是框架和剪力墙结构两种不同的抗侧力结构组成的新的受力结构形式，所以它的框架不同于纯框架中的框架，剪力墙在框剪结构中也不同于纯剪力墙结构中的剪力墙。剪力墙的侧移刚度远大于框架，因此剪力墙分配到的剪力也将远大于框架。由于框架和剪力墙的荷载和剪力分布沿高度在不断调整。框架结构在水平力作用下，框架与剪力墙之间楼层剪力的分配比例和框架各楼层剪力分布情况随着楼层所处高度而变化，与结构刚度特征值直接相关。框剪结构中的框架底部剪力为零，剪力控制部位在房屋高度的中部甚至在上部，而纯框架最大剪力在底部。因此，当实际布置有剪力墙(如：楼梯间墙、电梯井道墙、设备管道井墙等)的框架结构，不应简单按纯框架分析，而必须按框架结构协同工作计算内力。
（二）剪力墙的计算方法
剪力墙所承受的竖向荷载，一般是结构自重和楼面荷载，通过楼面传递到剪力墙。竖向荷载除了在连梁（门窗洞口上的梁）内产生弯矩以外，在墙肢内主要产生轴力。可以按照剪力墙的受荷面积简单计算。在水平荷载作用下，剪力墙受力分析实际上是二维平面问题，精确计算应该按照平面问题进行求解。可以借助于计算机，用有限元方法进行计算。在工程设计中，可以根据不同类型剪力墙的受力特点，进行简化计算。
二、剪力墙的布置
剪力墙的方案布置、墙量的多少、墙片的大小应合理。由于底部框墙结构中的剪力墙属低矮墙，其抗剪刚度相对较大，如果布置的墙肢较长、平面形式复杂，很容易出现局部刚度过大，受力过于集中的现象，甚至经常出现只布置极少的剪力墙就满足上下层抗侧刚度比限值的情况。因此在剪力墙布置方案上一定要坚持均匀、对称、周边、分散的原则。
（一）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%；纵向剪力墙宜布置在结构单元的中间区段内。房屋纵向长度较长时，不宜集中在两端布置纵向剪力墙，否则在平面中适当部位应设置施工后浇带以减少混凝土硬化过程中的收缩应力影响，同时应加强屋面保温以减少温度变化产生的影响。
（二）在布置底层剪力墙时应尽量对应上部上下竖直、中间不间断的墙体，否则即使底层布置的剪力墙刚度再大，若竖向无对应的上部墙体，不仅传力途径不直接，且上下层刚心相距较远，地震时上部墙体与底层剪力墙间会形成很大扭矩，极易破坏。
（三）剪力墙应尽量布置成L形和T形，以使它们相互支撑，增大每片单肢墙的平面外刚度，增强抗扭性。具体设计时剪力墙的长度、开洞等均需通过计算确定。剪力墙的计算长度确定后、应将实墙面布置在两端中间用洞口分隔，避免采用一端有剪力墙而另一端为独立柱的方式。总之混凝土剪力墙具体布置时宜开设洞口形成若干墙段，并保证各墙段高宽比不小于2。
三、剪力墙合理数量的设置
影响剪力墙配置数量的主要因素包括地震设防烈度，房屋高度，剪力墙布置形式、长短、位置、风载大小，场地类别等。剪力墙设置数量，必须符合下列要求：剪力墙承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%；两个主轴方向在地震力作用下，弹性层间位移角θe应小于1/800；自振周期合理范围T1=(0.08～0.12)n，n为建筑总层数；刚度特征值“λ”宜在1.0～6.0范围内；框架各楼层水力剪力应大于0.2Vo及1.5θmax(两者小值)。总之，剪力墙如何布置，数量多少，关系到体系安全和技术经济合理性。从抗震角度出发，多设剪力墙可以提高建筑物的抗震性能；从经济角度考虑宜少设剪力墙，如何使二者优化，值得我们探究。实践证明：当地震烈度大，层数多，楼层高宜多设剪力墙；当房屋平面尺寸接近时，主轴两个方向剪力墙的数量宜相近。
四、墙体配筋率的设计
目前在“砼规”11.7.11条文强制规定在一、二、三级抗震等级的剪力墙中，竖向和水平分布筋的最小配筋率均不应小于0.25%；部分框支剪力墙底部加强部位的配筋率不应小于0.3%。
（一）墙的水平分布筋是为横向抗剪以防止墙体在斜裂缝出现后发生脆性剪切破坏，同时起到抵抗温度应力防止砼出现裂缝，框剪结构设计中时配筋宜适当增加，特别在连梁部位或温度、刚度变化等敏感部位宜适当增加。
（二）墙的竖向钢筋主要起抗弯作用，目前在一些多层，低高层剪力墙中电算结果多为构造配筋；但配筋时所取的配筋率有人往往扣除了约束边缘构件或构造边缘构件中的钢筋，笔者认为竖向最小配筋率应该包括边缘构件中的钢筋，墙肢的豎向配筋原则也应该尽量将钢筋布置在墙端部边缘区并保证钢筋间距≦300mm，同时注意防止竖筋过多使墙的抗弯强度大于抗剪强度，对抗震不利。
五、过渡楼层设计
底层框架——剪力墙结构具有较好的承载、变形和耗能能力，其破坏状态一般为延性破坏；上部砖房部分虽具有一定的承载能力，但变形和耗能能力相对较差，其破坏状态多为脆性破坏。在上部砖房中，过渡楼层墙体承受地震剪力和倾覆力矩最大，受力最为不利。此外，在竖向均匀荷载作用下，过渡楼层墙体处于压剪或拉剪应力状态。因此当有水平荷载作用时，过渡楼层墙体与落地墙体相比，其抗裂性能和水平承载力均相应降低。试验表明，在竖向及反复水平荷载作用下，过渡楼层墙体的水平承载力约降低20%～30%。因此，过渡楼层应每开间设置构造柱和圈梁，形成弱框架体系，以增强过渡楼层传递地震剪力的能力，同时还将大大增加延性和耗能能力。
六、抗震设计
就抗震性能而言，砖混、框架、框架剪力墙结构代表着建筑进步的不同阶梯。框剪结构是公认的抗震性能最好的建筑结构。为了能够使剪力墙和框架同步工作，可采用：
（一）带竖缝剪力墙
竖缝剪力墙在水平力作用下所产生的侧移，不再是以墙体的剪切变形为主而是以并列柱的弯曲变形为主，原来墙面上的斜向裂缝被并列小柱上、下端的水平裂缝代替。由于剪力墙的力学性能由剪切转变为弯曲，弹性极限侧移值加大，延性改善，弹塑性耗能增加，避免了普通抗震墙斜裂缝出现后的刚度严重退化。
（二）采用较好的延性偏交支撑
主要构造是交叉直撑的交叉点处用拼接板、高强螺栓与阻尼材料组成，在小震时，叉点处提供足够的强度和刚度，像普通直撑那样工作。在强震时，上撑与下撑 (或左撑与右撑 )之间可相对滑动，导致刚度大大下降，可提高剪力墙和框架之间的协同工作能力。
七、结束语
总之，钢筋混凝土框剪结构设计是一个长期、复杂甚至循环往复的过程，任何在这过程中的遗漏或错误都有可能使整个设计过程变得更加复杂或使设计结果存在不安全因素。随着我国经济的发展，人民生活水平进一步提高，用户对房屋的功能提出更高的要求，人们希望建筑物在使用过程中具有更大的灵活性，能够适应多功能变换的需求。因此，设计单位在拿到开发单位的设计意图后，应本着经济美观，安全适用的原则多为社会设计出更好的产品。
参考文献：
1. 范永敏：《浅析框架剪力墙结构设计技巧》，《工程建设与设计》，2009年第5期。
2. 朱炳寅：《配置少量剪力墙的框架结构建筑结构》，《技术通讯》，2007年第5期。
3. 朱炳寅：《建筑结构设计规范应用图解》，中国建筑工业出版社，2005版。