摘要：本文物理論文分析了框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的受力特點，結(jié)合具體的工程實例，分析了框架-剪力墻在設(shè)計方面的設(shè)計要求及注意事項。
　　關(guān)鍵詞：框架-剪力墻，協(xié)同作用
　　論文正文：
　　框架結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)建筑的大空間功能要求，但是高度是受限的，剪力墻結(jié)構(gòu)具有較好的抗震能力，可以實現(xiàn)建筑層數(shù)上的要求，但是剪力墻結(jié)構(gòu)的布置對開間要求是比較嚴(yán)，所以為了充分發(fā)揮框架和剪力墻各自的優(yōu)勢，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生。
　　框架-剪力墻結(jié)構(gòu)是由框架和剪力墻兩種不同的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)組成，這兩種結(jié)構(gòu)的受力特點和變形性質(zhì)都不相同，框架在水平力作用下屬于剪切型變形的豎向空腹懸臂構(gòu)件，而剪力墻在水平力作用下屬彎曲型變形的豎向懸臂構(gòu)件，由于有剛性樓蓋將框架和剪力墻連接成一個整體，使框剪結(jié)構(gòu)成為一個空間結(jié)構(gòu)受力體系，其變形既非剪切型亦非彎曲型而是剪彎型。如下圖所示：
　　由上圖可以看出，在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的下部樓層，剪力墻的位移較小，它拉著框架按彎曲型曲線變形，剪力墻承受大部分水平力；而在上部樓層則相反，剪力墻的位移越來越大，有外倒的趨勢，而框架則呈內(nèi)收的趨勢，框架拉剪力墻按剪切型曲線變形，框架除了負(fù)擔(dān)外荷載產(chǎn)生的水平力外，還額外負(fù)擔(dān)了把剪力墻拉回來的附加水平力，剪力墻不但不承受荷載產(chǎn)生的水平力，還因為給框架了一個附加水平力而承受負(fù)剪力。所以，在上部樓層，即使外荷載產(chǎn)生的樓層剪力很小，框架也出現(xiàn)相當(dāng)大的剪力。究竟剪力在框架和剪力墻之間是如何分配的呢？
　　我們知道，在一般剪力墻結(jié)構(gòu)中，由于所有的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)都是剪力墻，側(cè)移曲線類似，所以水平力在各片剪力墻之間按其等效剛度EIeq的比例大小分配。而框架的工作特點類似于豎向懸臂剪切梁，其變形曲線為剪切型，樓層越高水平位移增長越慢，在純框架結(jié)構(gòu)中，所有框架的變形曲線類似，所以水平力按各框架的抗推剛度D的比例大小分配。在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系中，由于有樓板和連梁的連接作用，使框架和剪力墻協(xié)同工作，有共同的變形曲線，因而在框架與剪力墻之間產(chǎn)生了相互作用的力，這些力自上而下并不是相等的，有時甚至?xí)�改變方��。在框�?剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，一般在方案設(shè)計階段，框架的軸線尺寸已經(jīng)有建筑要求確定，梁、柱截面尺寸也可按照框架結(jié)構(gòu)的要求決定。結(jié)構(gòu)要最后確定剪力墻布置的多少及位置分布。在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻是抗震的第一道防線，而框架是抗震的第二道防線。一般，剪力墻的數(shù)量多，地震震害輕，多設(shè)剪力墻可以提高建筑物的抗震性能。但是，如果剪力墻的數(shù)量超過了實際需要，超過了合理數(shù)量，就會增加建筑物的造價，在經(jīng)濟上是不合算的。剪力墻增多，結(jié)構(gòu)的剛度也隨之增大，周期縮短，地震力也加大，不僅使上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力增大，材料耗用量增大，而且也使基礎(chǔ)設(shè)計困難，基礎(chǔ)造價提高。而且，增加剪力墻后，框架負(fù)擔(dān)的水平力會有所減小，但是為了保證第二道防線充分發(fā)揮作用，它所采用的設(shè)計剪力Vf不能小于一定的限額，即使剪力墻再多，框架部分耗用的材料也并不能減少。一般在具體設(shè)計時，可以布置剪力墻使框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的樓層最大位移與層高H之比達到《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》或《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定（ΔU/H不小于1/800）。而且，應(yīng)保證在規(guī)定的水平力作用下，結(jié)構(gòu)底層框架部分承受的地震傾覆力矩與結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的比值滿足規(guī)范規(guī)定，當(dāng)框架部分承受的地震傾覆力矩不大于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的10%，框架不能跟剪力墻協(xié)同工作，所以應(yīng)該按純剪力墻結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，其中的框架部分按框架-剪力墻的框架設(shè)計；當(dāng)框架部分承受的地震傾覆力矩大于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的10%但是又不大于50%時，二者按框架和剪力墻的理想?yún)f(xié)作關(guān)系發(fā)揮作用，按框架-剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計；當(dāng)框架部分承受的地震傾覆力矩大于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的50%但不大于80%時，說明結(jié)構(gòu)中剪力墻數(shù)量偏少，框架承擔(dān)較大的地震作用，此時框架部分的抗震等級和軸壓比限值宜按框架結(jié)構(gòu)的規(guī)定采用，剪力墻部分的抗震等級和軸壓比按框架-剪力墻結(jié)構(gòu)規(guī)定采用，但其最大適用高度不宜再按框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的要求執(zhí)行，可比框架結(jié)構(gòu)的要求適當(dāng)增加；當(dāng)框架部分承受的地震傾覆力矩大于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的80%時，意味著結(jié)構(gòu)中剪力墻數(shù)量極少，此時框架部分的抗震等級和軸壓比限值應(yīng)按框架結(jié)構(gòu)的規(guī)定執(zhí)行，剪力墻部分抗震等級和軸壓比按可按框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的規(guī)定采用，但其最大適用高度宜按框架結(jié)構(gòu)采用，這種少墻框剪結(jié)構(gòu)抗震性能較差，不主張采用，當(dāng)結(jié)構(gòu)的層間位移角不能滿足框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的規(guī)定時，可按高規(guī)第3.11節(jié)有關(guān)規(guī)定進行結(jié)構(gòu)抗震性能分析和論證。那么，剪力墻具體又該怎么布置呢？
　　框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻是抗震抗風(fēng)的主要結(jié)構(gòu)，應(yīng)沿各主要軸線方向布置，在矩形、L型和槽型平面中，剪力墻應(yīng)沿兩個正交方向布置。一般情況，剪力墻應(yīng)在縱橫兩個方向同時布置，并使兩個方向的自振周期比較接近。布置原則是“均勻、分散、對稱、周邊”，均勻、分散是要求剪力墻的片數(shù)多，每片的剛度不要太大，《高規(guī)》規(guī)定，單片剪力墻底部承擔(dān)的水平剪力不應(yīng)超過結(jié)構(gòu)底部總水平剪力的30%，因為片數(shù)太少，地震中萬一個別剪力墻破壞后，剩下的墻再也無法承受全部地震力，局部損壞會導(dǎo)致全局性的影響，而且，地震力集中到一兩片墻上，墻受得內(nèi)力太大，截面實際困難（尤其是連梁），相應(yīng)地基礎(chǔ)承受過大的剪力和傾覆力矩，尤為難以處理。對稱、周邊布置是對高層建筑抵扭轉(zhuǎn)的要求，剪力墻的剛度大，他的位置對樓層平面剛度分布起決定性的作用，剪力墻對稱布置，就能基本能上保證建筑物的對稱性，是水平力能從剛度合力點通過，避免和減小建筑物受到的扭轉(zhuǎn)。另一方面，剪力墻沿建筑平面的周邊布置可以最大限度地加大抗扭轉(zhuǎn)的內(nèi)力臂，提高整個結(jié)構(gòu)的抗扭能力。剪力墻的間距太大，僅僅通過剛性樓板連接的框架和剪力墻的協(xié)同作用就不能充分發(fā)揮，所以一般剪力墻的間距不宜過大。剪力墻是結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件，其剛度貢獻至關(guān)重要，所以一般剪力墻宜貫通建筑物的全高，避免剛度突變，開洞時，洞口宜上下對齊。具體可以布置在以下部位：1.豎向荷載較大處，此處主要考慮：剪力墻可以承受較大的豎向荷載，避免了設(shè)置尺寸過大的柱子，滿足建筑布置的要求；剪力墻是主要抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，承受很大的彎矩和剪力，需要較大的豎向荷載來避免出現(xiàn)軸向拉力，（規(guī)范也明確規(guī)定，抗震設(shè)計的雙肢墻，其墻肢不宜出現(xiàn)小偏心受拉）提高截面承載力，也便于基礎(chǔ)設(shè)計。2.平面形狀變化處，此處容易在樓面上產(chǎn)生大的應(yīng)力集中，地震時也常常發(fā)生震害，設(shè)置剪力墻予以加強是很有必要的。3.樓梯間和電梯間，特別是在端部和凹角處設(shè)置樓電梯時，受力更為不利，采用樓電梯豎井來加強是有效的措施。當(dāng)平面有較長的外伸時，宜在外伸段的適當(dāng)部位設(shè)置剪力墻，以減少外伸段的無支承點的懸臂長度。
　　整體布置上，剪力墻宜成組布置，縱橫向剪力墻宜合并布置為L形、T形和口字形，以使縱墻可以作為橫墻的翼緣，橫墻也可以作為縱墻的翼緣，從而提高其強度和剛度。同時剪力墻的長度也應(yīng)當(dāng)適當(dāng)。為了保證剪力墻具有足夠的延性，不發(fā)生脆性的剪切破壞，每一道剪力墻（包括單片墻、小開口墻和聯(lián)肢墻）不應(yīng)過長，總高度和總長度之比H/L宜大于2，連成一片的當(dāng)個墻肢長度不宜大于8m，以免因剪切而破壞。而且，墻肢多長，中間部分的鋼筋還未屈服，端部鋼筋早就因變性過大而斷開，致使許多豎向分布鋼筋難以發(fā)揮作用。設(shè)置剪力墻后，端部的框架柱應(yīng)予以保留，柱作為剪力墻的端部翼墻，剪力墻的端部鋼筋配置在柱截面內(nèi)，短柱加強剪力墻的承載了和穩(wěn)定性，使剪力墻的延性大大提高。位于樓層上的框架梁也應(yīng)保留，因為其作為剪力墻的橫向加勁肋，可以提高剪力墻的極限承載力。同時，剪力墻宜設(shè)在框架梁柱軸線平面內(nèi)，保持對中，如果剪力墻因建筑要求需要設(shè)在柱邊，應(yīng)加強柱的箍筋以抵抗扭轉(zhuǎn)的影響。以下為幾個框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計實例：
　　某醫(yī)院，地下一層，地上十四層，設(shè)計時采用的是框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，最初只是在樓電梯位置布置了幾片剪力墻，結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)嚴(yán)重不規(guī)則，第一周期就出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，后來經(jīng)過多輪的試算。
　　某國稅局主樓10層，如果采用純框架設(shè)計抗震措施造價比較大，而且抗震性能也不是很好，最終采用了框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，布置剪力墻的時候也是試了很多次，最終選定的剪力墻布置如下圖所示，既可以滿足結(jié)構(gòu)整體的抗震、周期、位移要求，又可以保證建筑造價經(jīng)濟。
　　綜上論文，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)從建筑上來看，可以滿足建筑的大空間要求，從結(jié)構(gòu)上來講，如果設(shè)計合理，可以充分發(fā)揮框架和剪力墻兩種不同結(jié)構(gòu)形式的受力優(yōu)勢，大大提高建筑物的抗震性能，而且還可以節(jié)約造價，可以說是一舉多得。以上是本人設(shè)計的一點經(jīng)驗總結(jié)，由于水平有限，不足之處請各位同仁多加指教。
　　參考文獻：
　　1.《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010
　　2.《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010
　　3.《高層結(jié)構(gòu)設(shè)計》趙西安編著中國建筑科學(xué)研究院