刍议框剪结构设计的影响因素

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摘要：本文主要阐述了框剪结构设计的几个影响因素，及框剪结构的设计原则，最后用工程实例进行论证，供各位同仁参考。

关键词：框剪结构； 概念设计； 抗震设计

中图分类号：S611文献标识码： A

前言：

我国抗震设计规范推荐多道抗震防线的概念。在地震来袭时，通过平面内刚度无限大的楼板将剪力墙与框架连接在一起。剪力墙部分是主要抗侧力构件，作为第一道防线，使结构的总体变形得到有效的控制；而框架作为第二道防线，在剪力墙的刚度退化后，承担后期的地震力作用。通过不同的塑性耗能机构，耗散地震能量，使结构达到抗震设防的目标。

概念设计

高层建筑抗震设计应更注重概念设计，从某种意义上讲，概念设计甚至比分析计算更为重要。因为高层建筑结构受力的复杂性，人们对地震作用认识的较为局限。材料性能与施工安装时的变异性以及高层结构抗震分析计算的精确性等因素，都可能使结构计算结果与实际相差很大。

“抗震概念设计”是指抗震设计的一开始就需要按照抗震的要求和减少破坏的规则来选择地基和基础，建筑的平面、立面、结构的体系和布置。考虑材料的延性，预先把握抗震的薄弱环节。再通过设计计算及结构措施处理，才能设计出具有良好抗震性能的房屋建筑。进行概念设计时，有诸多的影响因素，如地理位置、场地情况、梁柱的截面、剪力墙的布置及材料强度等级的变化等。在框剪结构中，剪力墙是主要的抗侧力构件。采用这种结构时应在两个主轴方向都布置剪力墙，形成双向抗侧力体系。尤其抗震设防烈度较高时，应避免单向布置，再加以控制结构的各项参数指标，来进行综合的概念设计。

二、 结构设计

1. 框剪结构剪力墙布置

剪力墙宜均匀的布置在建筑物周边，充分发挥抗扭的作用。平面形状凹凸较大处，是结构的薄弱部位，宜在凸出部分的端部附近布置剪力墙予以加强。纵、横剪力墙宜连接在一起，或设计成带边框的剪力墙，组成 L 形、T 形和口字形，并使整体结构的刚心尽量与建筑的质心重合，以增大剪力墙的刚度和抗扭转能力，应遵循对称、均匀、周边、连续的原则。

2. 刚度特征值

在同等条件下，结构刚度特征值过大。抵抗地震作用主要由框架承担，结构的抗侧刚度较差，结构常不能满足变形要求，框架受力过大，梁、柱截面尺寸加大，导致不经济。反之，刚度值过小，说明剪力墙数量过多，抗侧刚度增大，自振周期较短，使得地震作用较大。因此，尽量使刚度特征值介于1.15～2.4 之间，使整个结构处于最佳工作状态。受力均匀，协同工作，安全可靠，这对设计者初估框剪结构的刚度分配比例十分重要。

3. 水平作用下的位移

在实际工程设计中，规范给出了能更为简便的参数规定：层间位移角应不大于 1/800，这是衡量结构抗侧刚度的一个指标。不考虑偶然偏心时的位移比一般应该都在 1.2 以内，考虑偶然偏心时，只要不大于 1.5 即可，这是衡量扭转刚度的指标。不满足时，应该先考虑建筑物周边抗侧力构件的调整。可以采取增大剪力墙，也可以加高连梁等方法。

4. 剪重比

剪重比体现结构在水平地震作用下反映强烈的一个重要指标，主要与结构体型、结构布置和抗震设防烈度有关。剪重比不满足，说明结构的抗侧刚度不足，地震力偏小。可按下列三种情况进行调整：

（1）当地震剪力偏小而层间侧移角又偏大时，说明结构过柔，宜适当加大墙、柱截面，提高刚度；

（2）当地震剪力偏大而层间侧移角又偏小时，说明结构过刚，宜适当减小墙、柱截面，降低刚度以取得合适的经济技术指标；

（3）当地震剪力偏小而层间侧移角又恰当时，可在 SATWE 的“调整信息”中的“全楼地震作用放大系数”中输入大于 1 的系数增大地震作用，以满足剪重比要求。

5. 周期

周期比不满足规范要求，说明结构的抗扭刚度相对于侧移刚度较小，扭转效应过大，结构抗侧力构件布置不合理。周期尽量控制在 0.08～0.12 N(N为层数)，超出这个范围，说明结构太刚或太柔，可作相应的调整。

三、框剪结构的设计原则

1．计算简图的选取

高层建筑结构分析计算时宜对结构进行力学上的简化处理，使其既能反映结构的受力性能，又适应于所选用的计算分析软件的力学模型。计算简图选取是否适当是决定高层结构安全的首要条件。在结构内力与位移整体计算中，对于一些特殊结构如：转换层结构、加强层结构、连体结构、多塔楼结构，均应按照结构的特点选用合适的计算简图进行计算分析。在进行结构的整体计算时如对转换层、加强层、连接体等做简化处理的，在计算后应对其局部进行补充计算分析。计算简图还要采取必要的构造措施来保证。工程实际中的节点并不是纯粹的铰结点或刚结点，但与计算简图的误差在设计允许范围之内即可。

2.选择合适的基础方案

在基础设计时，应综合考虑场地的工程地质的条件、上部结构体系的类型以及结构的载荷分布特点等，选取既经济又合理的基础方案。设计时为了能够最大限度的发挥地基的潜力，应该对地基进行变形验算。设计人员应仔细研究地质勘察报告，若缺少地质报告，应进行现场查看和参考临近建筑资料。统一结构单元应选用相同的基础形式。

3.选择适宜的结构方案

框剪结构综合了框架结构平面布置灵活方便以及剪力墙结构抗侧向位移性能好的特点，能够满足即需要较大室内空间又节省占地面积的高层建筑结构的设计要求。框架．剪力墙结构通过设置在框架结构中的剪力墙作为抗侧力构件，利用剪力墙侧向刚度好的特点提高结构抗水平荷载的能力以及抗侧向位移的刚度，框架部分主要用于承担竖向荷载。剪力墙结构体系由于墙体间距不能太大，限制了平面房间的灵活布置，满足不了有较大空间使用要求的房间，框剪结构恰好能满足这一需求。

四、 工程实例

1. 工程概况

本工程为乌鲁木齐市某综合实验楼，地上 18层，地下 2 层，长度为 69.6 m，宽度为 20.400 m，计算高度为 67.2 m，采用框架剪力墙结构体系。抗震设防烈度为 8 度，设计地震分组为第二组，建筑物场地类别为Ⅱ类。拟建场地势较开阔，该场地属冲洪积平原，场地地形较为平坦，为抗震有利地段。

2. 方案设计

首先通过合理运用结构概念，依靠主体与局部间的力学关系、破坏机理及个人经验，从宏观上对结构整体进行科学的分析，并考虑结构布置方案，初步确定柱网及框架梁柱的截面尺寸，继而确定抗震墙的数量及布置方案。纵、横向剪力墙宜组成 L形、T 形和F形等形式，以使纵墙（横墙）可以作为横墙（纵墙）的翼缘，增强结构刚度和整体性。其中，F形剪力墙的结构刚度和整体性能较 T 形（对称翼缘和不对称翼缘）要好。

3. 优化校核

根据框架梁柱合理线刚度比对结构进行优化，再由最优剪力墙抗弯刚度对剪力墙的数量、尺寸进行调整。通过 PKPM 对优化后的工程进行模拟，判别是否合理，进而完成框剪结构的整体优化。在应用计算软件对结构进行分析时，有些参数如振型组合数、最大地震作用方向和结构基本周期等在计算前很难估计，需要进行多次试算才能得到。

本文利用软件建立了该框架—剪力墙结构的三维空间模型。从计算结果可以看出，结构 X 方向最大层间位移角为 1/1172，Y 方向最大层间位移角为1/ 991。X 向楼层最小剪重比（3.90%），Y 向楼层最小剪重比（3.75%）。结构以 X 向平动为主的第一自振周期为 T1= 1.6340，以扭转为主的第一自振周期为 T3=1.3480，其比值小于 0.90，结构抗扭刚度满足要求。由于扭转效应对结构的影响不明显，因此不需考虑扭转效应。

五、 结语

作为设计工作者，要非常重视框剪结构体系的概念设计。在进行设计时，合理布置剪力墙、适当调整软件中多个比较重要的影响参数，使结构的抗震验算严格的控制在各项参数指标范围内，既可满足规范要求，同时也能提高工作效率。

参考文献：

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