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摘要 以高层建筑结构设计为研究对象,研究探讨了框－剪结构体系在高层结构设计中的应用,文章论述了框架、剪力墙的受力特性,并從其受力特性出发，总结如何提高其抗震性能。
关键词:框-剪结构；结构设计应用受力特性 抗震设计
中图分类号：TU7文献标识码：A文章编号：
1.框－剪结构在建筑中的应用思路
高层建筑是社会经济发展和科学技术进步的产物。 城市人口集中,用地紧张以及商业竞争的激烈化,促进了高层建筑的出现和不断发展。根据建筑高度、尺寸和其他条件,选择经济而有效的结构类型和结构体系,便成为结构设计的首要问题。高层建筑的结构体系,主要有框架结构体系,剪力墙结构体系,框架－剪力墙结构体系(简称框剪结构体系),筒体结构体系和巨型(超级)结构体系等。这些体系的受力特点、抵抗水平荷载的能力、侧向刚度和抗震性能等都各有不同。 框架结构侧向刚度差,抵抗水平荷载的能力较低,底部层间位移大容易引起非结构性破坏和次生灾害,对抗震不利,但它具有空间大,平面布置灵活,立面处理丰富等优点,而剪力墙结构则相反,抗侧力强度和刚度均很大,但平面布置不灵活,不适应大空间的要求。而框剪结构却有框架结构与剪力墙结构两者的优点,把两种结构体系结合起来,在同一结构单元中同时采用框架和剪力墙结构,共同承受竖向和水平荷载,起到了取长补短的作用,因而它广泛地应用于高层办公建筑,旅馆建筑等高层公共建筑中。
2.框－剪结构受力特性分析
框－剪结构体系的工程应用表明,框－剪结构是框架和剪力墙两种结构的有机结合。 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,成外弯形开口曲线。 而在框－剪结构中,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,结构水平位移特征处于框架和剪力墙之间,为反S型曲线,是弯剪型。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。框－剪结构中框架、 剪力墙的受力特性可以用结构刚度特性值l ,即框架刚度与剪力墙刚度的比值来表达。若忽略连梁约束和轴向变形的影响,有:
式中: H 为建筑总高度;
C 为框架平均总刚度; EI剪力墙折算总抗侧刚度。
3.工程实践表明:
3.1 过小,结构变形曲线呈弯剪型,即剪力墙用量过多,此时结构刚度增大,自振周期缩短,地震力相应增加,结构延性降低,尤其对框架顶部几层极为不利。 一般说来,剪力墙数量增多对抗震有利,但超过必要限度也是不合理和不经济的,为了使框架充分发挥作用,剪力墙刚度不宜过大,应使 1.15。
3.2过大,结构变形曲线呈剪弯型,即剪力墙用量过少,结构刚度较差,常不满足变形要求,同时,框架受力过大,梁柱截面尺寸加大,导致不经济,因此,剪力墙刚度不能过小,应使 2.4。
4. 框－剪结构抗震设计
框－剪结构中,剪力墙的布置和用量是由框架、剪力墙的受力特性并结合建筑物的功能、 布置来决定的。对框－剪结构体系的抗震设计主要考虑以下几个因素：
4.1提高剪力墙的抗震性能
4.1.1 将剪力墙做成四周有梁柱的带边框墙。边框(明框和暗框)可阻止斜裂缝向相邻发展，还可在墙板破坏后作承重构件代替墙板承重且有一定延性。边框应具有足够的斜截面受剪承载力，以承担因墙身通裂对边框梁柱引起的附加剪力。
4.1.2 控制每肢墙的高宽比。必要时可设结构洞口或结构竖缝使变成双肢墙或多肢墙,可控制裂缝和屈服部位出现在结构竖缝和洞口连梁处，形成耗能机构，同时使原剪力墙一分为二，刚度降低，避免发生剪切破坏和底部墙体过早屈服。
4.1.3 剪力墙的刚性连梁，其跨高比往往仅为 1左右。而试验表明：当连梁的跨高比为5时，延性和耗能很好，连梁两端相对竖向位移的延性系数都在 8以上，滞回曲线也相当饱满；当跨高比降至 1时，延性系数则降至 3左右，滞回曲线严重捏扰，耗能很小，最后弯剪破坏。因此，需要对它的组成和构造采取一定措施。措施之一是在1/2梁高的中性面上留一水平通缝，在缝的上、下两侧各埋置钢板，钢板上开有椭圆形螺栓孔，用高强螺栓把两钢板连结。在竖载、风载和小震下，高强螺栓把水平通缝分开的两部分连梁连结成整体工作，使连梁具有一定的"刚性"。在大震作用时,两钢板发生相对滑动，原来跨高比为 1的刚性连梁将被分成两根跨高比为 2的小梁协同工作， 试验表明, 这样可使延性系数由原来的3提高为10左右。
4.2 提高框架的抗震性能
4.2.1 加强框架的角柱。角柱是连结纵横框架的枢纽，要增加框架的空间整体性，就要加强角柱的抗剪性能。
4.2.2 沿周圈框架平面按K形支撑和X形支撑布置一定数量的钢筋砼抗剪墙板或配筋砌块抗剪墙板，能有效克服框架的剪力滞后现象，显著提高框架的整体性和抗推刚度，减少结构的整体侧移，特别有利于减小层间侧移。但这种结构的延性较差，因此，可以在墙板上开十字形结构竖缝使之出现薄弱部位，形成延性耗能墙板。
4.2.3 设置偏交斜撑等赘余杆件，用弯曲耗能代替轴变耗能，其中折曲撑由钢纤维砼杆制造，偏心连结支撑可用钢杆或劲性钢筋砼杆组成。在强烈地震作用下，一方面可利用这些赘余杆件的先期屈服和变形来耗散能量，另一方面当赘余杆件破坏或退出工作后，使得结构由一种稳定体系过渡到另一种稳定体系，引起结构自振周期的改变，以避开地震卓越周期的长时间持续作用所引起的共振效应。
4.3 采用新型复合材料节点
提高节点的强度和延性仅靠增加箍筋效果并不显著，而采用钢纤维砼和劲性砼梁柱节点效果较好。由于劲性钢材或钢纤维与砼的共同工作，使得节点区砼的受力性能特别是剪切变形大大改善，延性和耗能能力显著提高。
4.4 提高整体结构的抗震性能
4.4.1 实行机构控制，实现总体屈服机制。
在结构的特定位置设置一定数量的人工塑性铰，对塑性铰发生的区域、顺序及塑性程度进行控制，使得结构在强震时能形成最佳耗能机构。在水平作用下，使水平构件先于竖向构件屈服，最后竖向构件底部屈服。
4.4.2 使结构的刚度和承载力相匹配。在框剪结构中，如剪力墙数量多、厚度大，刚度自然也大，但会导致结构自振周期减小，总水平地震作用增大；反之刚度小，地震力也变小。所以，要根据建筑的重要性、装修等级和设防烈度来综合这一对矛盾，以确定出结构的侧移限值，从而定出抗震墙的数量、厚度，做到既安全又经济。
4.4.3 使结构的刚度和延性相匹配。剪力墙和框架在刚度、弹性极限变形值和延性系数方面的差异使得框剪结构的抗震性能大打折扣，造成各构件不能同步协调地发挥材料抗力而出现先后破坏被各个击破的情况，大大降低了结构中各构件的利用效率和整体的抗震可靠度。所以，协调各抗侧力构件的刚度和延性相匹配是工程设计中的一条重要抗震设计原则。
为了能够使剪力墙和框架同步工作，可采用：
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。
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。
由以上分析可归纳出以下结论：
1.在框剪结构中，保护和改善剪力墙的抗震性能是关键。
2.增加多道抗震防线和延性耗能机构是提高结构抗震性能的有效途径。
3.协调各构件的刚度、承载力和延性相匹配，可大大提高框剪结构的空间整体性能和抗震可靠度。
参考文献：[1] 张毅.高层结构中剪力墙的构造要求及原因分析[J].科技资讯,
2010(2):30～31,33.
[2] 张旮,石中明.基于ETABS的某高层结构时程分析[J].工程建设
与设计,2010(3):20～22.
[3] 《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010
[4] 《建筑抗震设计规范》GB50011-2010
关键词:框-剪结构；结构设计应用受力特性 抗震设计
中图分类号：TU7文献标识码：A文章编号：
1.框－剪结构在建筑中的应用思路
高层建筑是社会经济发展和科学技术进步的产物。 城市人口集中,用地紧张以及商业竞争的激烈化,促进了高层建筑的出现和不断发展。根据建筑高度、尺寸和其他条件,选择经济而有效的结构类型和结构体系,便成为结构设计的首要问题。高层建筑的结构体系,主要有框架结构体系,剪力墙结构体系,框架－剪力墙结构体系(简称框剪结构体系),筒体结构体系和巨型(超级)结构体系等。这些体系的受力特点、抵抗水平荷载的能力、侧向刚度和抗震性能等都各有不同。 框架结构侧向刚度差,抵抗水平荷载的能力较低,底部层间位移大容易引起非结构性破坏和次生灾害,对抗震不利,但它具有空间大,平面布置灵活,立面处理丰富等优点,而剪力墙结构则相反,抗侧力强度和刚度均很大,但平面布置不灵活,不适应大空间的要求。而框剪结构却有框架结构与剪力墙结构两者的优点,把两种结构体系结合起来,在同一结构单元中同时采用框架和剪力墙结构,共同承受竖向和水平荷载,起到了取长补短的作用,因而它广泛地应用于高层办公建筑,旅馆建筑等高层公共建筑中。
2.框－剪结构受力特性分析
框－剪结构体系的工程应用表明,框－剪结构是框架和剪力墙两种结构的有机结合。 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,成外弯形开口曲线。 而在框－剪结构中,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,结构水平位移特征处于框架和剪力墙之间,为反S型曲线,是弯剪型。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。框－剪结构中框架、 剪力墙的受力特性可以用结构刚度特性值l ,即框架刚度与剪力墙刚度的比值来表达。若忽略连梁约束和轴向变形的影响,有:
式中: H 为建筑总高度;
C 为框架平均总刚度; EI剪力墙折算总抗侧刚度。
3.工程实践表明:
3.1 过小,结构变形曲线呈弯剪型,即剪力墙用量过多,此时结构刚度增大,自振周期缩短,地震力相应增加,结构延性降低,尤其对框架顶部几层极为不利。 一般说来,剪力墙数量增多对抗震有利,但超过必要限度也是不合理和不经济的,为了使框架充分发挥作用,剪力墙刚度不宜过大,应使 1.15。
3.2过大,结构变形曲线呈剪弯型,即剪力墙用量过少,结构刚度较差,常不满足变形要求,同时,框架受力过大,梁柱截面尺寸加大,导致不经济,因此,剪力墙刚度不能过小,应使 2.4。
4. 框－剪结构抗震设计
框－剪结构中,剪力墙的布置和用量是由框架、剪力墙的受力特性并结合建筑物的功能、 布置来决定的。对框－剪结构体系的抗震设计主要考虑以下几个因素：
4.1提高剪力墙的抗震性能
4.1.1 将剪力墙做成四周有梁柱的带边框墙。边框(明框和暗框)可阻止斜裂缝向相邻发展，还可在墙板破坏后作承重构件代替墙板承重且有一定延性。边框应具有足够的斜截面受剪承载力，以承担因墙身通裂对边框梁柱引起的附加剪力。
4.1.2 控制每肢墙的高宽比。必要时可设结构洞口或结构竖缝使变成双肢墙或多肢墙,可控制裂缝和屈服部位出现在结构竖缝和洞口连梁处，形成耗能机构，同时使原剪力墙一分为二，刚度降低，避免发生剪切破坏和底部墙体过早屈服。
4.1.3 剪力墙的刚性连梁，其跨高比往往仅为 1左右。而试验表明：当连梁的跨高比为5时，延性和耗能很好，连梁两端相对竖向位移的延性系数都在 8以上，滞回曲线也相当饱满；当跨高比降至 1时，延性系数则降至 3左右，滞回曲线严重捏扰，耗能很小，最后弯剪破坏。因此，需要对它的组成和构造采取一定措施。措施之一是在1/2梁高的中性面上留一水平通缝，在缝的上、下两侧各埋置钢板，钢板上开有椭圆形螺栓孔，用高强螺栓把两钢板连结。在竖载、风载和小震下，高强螺栓把水平通缝分开的两部分连梁连结成整体工作，使连梁具有一定的"刚性"。在大震作用时,两钢板发生相对滑动，原来跨高比为 1的刚性连梁将被分成两根跨高比为 2的小梁协同工作， 试验表明, 这样可使延性系数由原来的3提高为10左右。
4.2 提高框架的抗震性能
4.2.1 加强框架的角柱。角柱是连结纵横框架的枢纽，要增加框架的空间整体性，就要加强角柱的抗剪性能。
4.2.2 沿周圈框架平面按K形支撑和X形支撑布置一定数量的钢筋砼抗剪墙板或配筋砌块抗剪墙板，能有效克服框架的剪力滞后现象，显著提高框架的整体性和抗推刚度，减少结构的整体侧移，特别有利于减小层间侧移。但这种结构的延性较差，因此，可以在墙板上开十字形结构竖缝使之出现薄弱部位，形成延性耗能墙板。
4.2.3 设置偏交斜撑等赘余杆件，用弯曲耗能代替轴变耗能，其中折曲撑由钢纤维砼杆制造，偏心连结支撑可用钢杆或劲性钢筋砼杆组成。在强烈地震作用下，一方面可利用这些赘余杆件的先期屈服和变形来耗散能量，另一方面当赘余杆件破坏或退出工作后，使得结构由一种稳定体系过渡到另一种稳定体系，引起结构自振周期的改变，以避开地震卓越周期的长时间持续作用所引起的共振效应。
4.3 采用新型复合材料节点
提高节点的强度和延性仅靠增加箍筋效果并不显著，而采用钢纤维砼和劲性砼梁柱节点效果较好。由于劲性钢材或钢纤维与砼的共同工作，使得节点区砼的受力性能特别是剪切变形大大改善，延性和耗能能力显著提高。
4.4 提高整体结构的抗震性能
4.4.1 实行机构控制，实现总体屈服机制。
在结构的特定位置设置一定数量的人工塑性铰，对塑性铰发生的区域、顺序及塑性程度进行控制，使得结构在强震时能形成最佳耗能机构。在水平作用下，使水平构件先于竖向构件屈服，最后竖向构件底部屈服。
4.4.2 使结构的刚度和承载力相匹配。在框剪结构中，如剪力墙数量多、厚度大，刚度自然也大，但会导致结构自振周期减小，总水平地震作用增大；反之刚度小，地震力也变小。所以，要根据建筑的重要性、装修等级和设防烈度来综合这一对矛盾，以确定出结构的侧移限值，从而定出抗震墙的数量、厚度，做到既安全又经济。
4.4.3 使结构的刚度和延性相匹配。剪力墙和框架在刚度、弹性极限变形值和延性系数方面的差异使得框剪结构的抗震性能大打折扣，造成各构件不能同步协调地发挥材料抗力而出现先后破坏被各个击破的情况，大大降低了结构中各构件的利用效率和整体的抗震可靠度。所以，协调各抗侧力构件的刚度和延性相匹配是工程设计中的一条重要抗震设计原则。
为了能够使剪力墙和框架同步工作，可采用：
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。
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。
由以上分析可归纳出以下结论：
1.在框剪结构中，保护和改善剪力墙的抗震性能是关键。
2.增加多道抗震防线和延性耗能机构是提高结构抗震性能的有效途径。
3.协调各构件的刚度、承载力和延性相匹配，可大大提高框剪结构的空间整体性能和抗震可靠度。
参考文献：[1] 张毅.高层结构中剪力墙的构造要求及原因分析[J].科技资讯,
2010(2):30～31,33.
[2] 张旮,石中明.基于ETABS的某高层结构时程分析[J].工程建设
与设计,2010(3):20～22.
[3] 《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010
[4] 《建筑抗震设计规范》GB50011-2010