浅谈高层建筑框剪结构设计
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摘要：设计框剪结构，应先根据底层结构剪力墙与框架柱面积之和与本楼层面积之比确定剪力墙数量，然后通过计算判断剪力墙布置的合理性。剪力墙的轴压比限值应与框架柱一样，通过考虑剪力墙延性、约束边缘构件配箍特征值及剪力墙高宽比等构造措施提高。连梁跨高比小，若两端连接的墙与柱刚度差异较大，易造成连梁两端变形很大而产生很大的内力，设计中可以通过连梁刚度折减和设置水平通缝解决。
关键词：框架—剪力墙；轴压比；连梁;箍筋配箍特征值
Abstract: the design frame shear structure, should first according to the bottom shear wall structure and size of frame column with the floor area than determine the number of shear wall, and then judge, by calculation, shear wall arrangement of rationality. Shear wall should be the limit value of the axial compressive ratio and frame column, by considering the shear wall ductility, constraint edge with component characteristic value of hoop and high shear wall wide than tectonic measures to improve. Even the beam aspect ratio across small, if both ends of the connection and the column wall stiffness differences, easy cause even the beam ends deformation and internal force of a produce very big, design can through the coupling beam stiffness reduction and set the seam level to solve.
Keywords: frame-shear wall; The axial compression ratio; Even the beam; Stirrup with characteristic value of hoop
中图分类号： TU97 文献标识码： A 文章编号：
在高层框剪结构中，剪力墙是主要抗侧力构件，几乎承担了80％以上的水平地震作用，剪力墙刚度的大小将直接影响到结构的安全性及工程造价。在结构设计时，框一剪结构中剪力墙的数量，除了必须满足强度条件外，还必须使结构具有一定的侧向刚度，以免在地震作用下产生过大的侧向变形。剪力墙配置过少，会因结构产生过大的变形而无法满足安全和使用要求；剪力墙配置太多。即增加材料的用量和结构自重，又减少了结构自振周期，地震作用效应增大。所以，合理地确定剪力墙的数量是关系到结构的安全和技术经济合理最为关键的问题。
框架—剪力墙中剪力墙的合理配置
根据众多震后调查统计分析，得到框架-剪力墙结构受震害的一系列的经验数据。日本采用平均压应力-墙面积表示法来分析，其中平均压应力：σ=G／(Ac+ Aw)，G为楼层重量，Ac，Aw分别为框架柱及剪力墙的面积。国内根据已建的大量框架-剪力墙结构，提出底层结构截面面积Ac+ Aw与楼面面积Af之比及Aw可与楼面面积Af之比(见表1)。
表1墙、柱面积与楼层面积百分比
判断剪力墙设置是否合理，计算标准主要根据结构在风荷载和地震荷载作用下的位移比、位移角，地震作用下结构的振型曲线、自振周期、结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比、结构薄弱层判断及风荷载和地震作用下建筑物底部剪力和总弯矩是否在合理范围内。
2、工程实例
某工程总建筑面积20041m2。其中，地上部分建筑面积18880m2，共16层，带5层裙房和一层设备转换层，建筑高度68.8m。地下部分建筑面积1161m2，共1层。结构体系为框架-剪力墙结构，抗震设防烈度70，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震为第一组,Il类场地，设计特征周期为0.4s，风荷载按100年一遇风压取值为0.45kN／m2。
剪力墙的平面布置遵循均匀、分散、对称、周边原则。每片剪力墙刚度不要太大，连续尺寸不要太长，每一片墙肢的弯曲刚度适中，不会因为个别墙肢的局部破坏而影响整体的抗侧力性能。刚度愈大的墙肢吸收的荷载也愈大，所以考虑墙肢开洞来减轻墙肢的刚度集中问题。剪力墙布置在平面形状变化处，如角隅、端角，因为凹凸角部位是应力集中处，宜设置剪力墙加强。同时电梯间、楼梯间楼面开洞严重地削弱楼板刚度，所以不能保证框架与剪力墙协同工作，需要设置剪力墙来加强。在楼梯及电梯间布置均匀、对称的剪力墙，同时为了保证结构抵抗扭转能力，使刚度中心与平面中心相吻合，在结构周边对称位置布置剪力墙，提高抗扭转能力。但平面图中3轴与A轴处建筑平面布置不允许布置剪力墙，故在4轴与A轴处布置剪力墙。同时为防止墙肢刚度过大而吸收大量的地震力而破坏，在较长的剪力墙中开设洞口，将其分成长度较为均匀的若干墙段，墙肢之间采用连梁连接，使每片剪力墙的弯曲刚度适中，不会出现个别墙的受力太集中而引起破坏。本设计中，主楼楼层面积Af为1050m2，剪力墙面积Aw为18.50m2，框架柱面积Ac为14m2，Aw／Af=1.76％，(Ac+AW)／Af=3.09％，符合表1数据。
图1主楼平面布置图
设计中对扭转效应的控制采取了一些措施：①由于主楼标准层凸出部分大于平面总宽度的30％，故将该凸出部位板厚加厚至150mm，并在计算时设为弹性楼板；②设备层。层高低，其刚度虽大于相邻上部楼层侧向刚度的70％，但刚度相对其相邻层还是比较薄弱，故将没备层及其相邻的上下层强制设为薄弱层，加强该处的竖向构件；③采取措施使各楼层的刚心、质心的偏心距控制在0.15以内，主楼与裙房屋面的质心，刚心偏心距小于建筑相应边长的20％；④在裙房的一侧合理布置剪力墙；⑤对框架柱倾覆弯矩及楼层框架总剪力进行调整，主楼的底部总剪力为裙房屋面的总剪力。模型经过调整，对计算结果进行分析判断，确认后作为工程设计依据。结构计算结果如表2所示。
表2整体结构计算
3、提高框架柱及剪力墙轴压比措施
轴压比主要为控制结构的延性，随着轴压比的增大，结构的延性越来越差，对高层建筑抗震十分不利。我国现行规范均有相应要求。本工程在进行初步设计时，业主提出当地混凝土搅拌站无法保证C40以上混凝土施工质量，混凝土最高强度等级为C40。根据规范，一级框架-剪力墙结构框架柱轴压比为0.75，若按框架柱轴压比为0.75设计，框架柱的截面面积很大，影响建筑平面布局。故框架柱采取规范提出的构造措施提高柱轴压比限值至0.90设计。底部加强区剪力墙厚度为350mm，混凝土强度等级为C40能够满足设计要求。但在其他的一些高层建筑结构的底部几层，由于混凝土强度等级低，为使剪力墙轴压比不超过规范规定的限值，会出现剪力墙厚度很大的不合理情况。