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浅析框架剪力墙结构 摘 要：伴随经济的发展和科学技术的进步，人类所居住的高楼大厦也如雨后春笋般树立在大街小巷里，但每栋高楼的结构并不一样，其中有一种便是框架剪力墙结构，这种结构体系整体性好、刚度大、侧向变形小、抗震性能好，易于满足高层结构中现行国家规范层间位移限定值要求而得到广泛应用。以下将论述起概念、工作体系、优点、结构布置以及如何优化。关键词：框架、剪力墙、结构一、框架剪力墙结构的概念以及分析框架剪力墙结构，是由框架、剪力墙和连系梁组成，并由楼盖在楼层处将它们联系起来的一种结构体系，简称框剪结构。按水平位移的形式来说，框架属剪切型，而剪力墙为弯曲型。这两种性能不同的结构，组合在一起共同工作，发挥各自的优势，取长补短，能更有效地抵抗水平外荷载的作用。加上结构布置较灵活，比剪力墙结构较易适应较大开间的要求，所以框剪结构是高层建筑中最常见的结构体系之一。1从受力及变形特点来分析，水平荷载作用下，单独的线为弯曲型，其水平侧移主要取决于所受弯矩的大小，剪力墙侧移越往上增加越快；而单独的框架变形曲线为剪切型，其水平侧移跟各楼层剪力有关，越往上侧移增加越慢。组成框架一剪力墙结构后，通过各层刚性楼板的联系，使框架和剪力墙协同工作，两者变形一致，共同承担水平荷载，将两种不同变形特征的构件组成一种弯剪型变形的结构。在水平荷载作用下，这种变形的协调使得两者之间产生相互作用力。框架一剪力墙之间楼层剪力的分比例是随楼层所处高度而变化。在下部楼层，因为剪力墙位移小，它限制框架变形，使剪力墙承担了大部分剪力，也使框架的层问侧移减小；在上部几层，剪力墙位移越来越大，而框架的位移逐渐变小即框架除了要承担原有的那部分剪力外，还要承担约束剪力墙变形的附加剪力。二、框架一剪力墙的组合工作体系（一）铰接体系当框架和剪力墙之间是通过楼板连接时，由于楼板在平面外的刚度一般忽略，因此只能保证二者的水平位移相同，而不传递弯矩。这样，连梁可以进一步简化为铰接链杆。（二）刚接体系在框架和剪力墙之间，除了起连接作用的楼板外，还有在平面内与剪力墙刚接的框架梁，这种梁能够传递剪力和弯矩，连梁与剪力之间的连接可视为刚接。由于框架一剪力墙结构中剪力墙是主要的抗侧力构件，能承担整个结构80以上的水平力，一般情况下，尽量使刚度特征值较小；所以要尽量使总剪力墙的抗弯刚度较大些，其中，为结构总高度；为总框架所有柱剪切刚度之和，即，其中为层高为h的第j柱的D值；为总剪力墙的抗弯刚度；为总连梁的约束刚度，即所有梁端的约束刚度之和，对于铰接体系，=O；h为层高。2三、框架剪力墙结构的优点框架一剪力墙是高层建筑结构体系中的优化组合，因为框架结构的柱网、梁板布置十分灵活，隔墙可任意设置。因此可以充分满足建筑设计的配置和使用功能的要求。外围框架柱除承受楼层荷载外，还承受高层总体的倾覆力。而剪力墙结构的片式在平面布置中亦有很大灵活性，可以是单片或两片或三片的组合，在框架柱网间任意设置。当将它设置在建筑平面中靠近外沿框架时，不仅能承受很大的竖向荷载，还可以大大提高结构的总体刚度并发挥其强大的抗侧、抗扭能力。框架一剪力墙结构体系在协调总体变形方面具有独特优点：框架结构的侧移是剪切型的，底部层间位移大，顶部总变位值小。剪力墙结构的侧移是弯曲型的，底部层间位移小，顶部总变位值大。当框架与剪力墙结合称为一个整体时，整个结构体系自下而上的侧移得到了最佳的协调和减小这正是结构设计所理想的结果。3四、框架-剪力墙体系的结构布置框架-剪力墙结构的抗侧力构件有框架，也有剪力墙，它们的布置除应符合框架-剪力墙结构的规定外，尚应分别符合框架和剪力墙结构的有关规定。柱网布置框架剪力墙结构是在框架中设置一些剪力墙，因此结构布置应先确定柱网。确定柱网就是确定柱距(开间)与跨度(进深)。柱网布置首先要满足生产工艺和其他使用功能的要求，其次要满足建筑平面功能的要求。要力求做到柱网平面简单规则、受力合理。目前，工业建筑的柱网有内廊式和等跨式两种。内廊式的边跨(主跨)一般为68m，中间跨为24m；等跨式跨度一般为612m；柱距一般为67.5m；层高为3.65.4m。民用建筑的柱网可分为小柱网和大柱网。小柱网指一个开间为一个柱距；大柱网指两个开间为一个柱距。常用的柱距有3.3、3.6、4.5，6.6、7.2m等；常用的跨度有5.4、6.0、6.6、6.9、7.5m等；层高一般为3.0、3.3、3.6、4.2、4.5m等。建筑柱网布置根据楼盖的平面布置及竖向荷载的传力途径，框架结构的承重方案可分为横向、纵向及纵横向框架承重三种方案。实际工程中，一般采用横向框架承重方案。当采用横向承重方案时，横向框架梁的截面高度大，以增加框架的横向侧移刚度。当柱网平面接近正方形时，楼板为双向板，此时为纵横向框架承重。纵向框架承重因其横向刚度差而很少采用。抗震设防的建筑必须双向布置框架梁。框架梁柱在纵，横两个方向均应为刚接；梁、柱中心线宜重合，当不能重合时，应考虑偏心对节点核心区及柱子的影响。柱网尺寸及层高决定框架梁的跨度和柱的高度。在肋形梁板结构中，柱的间距就是主梁的跨度，主梁的跨度比较经济合理的范围是5.0-8.0m；主梁的间距就是次梁的跨度，次梁跨度一般为4.06.0m；次梁的间距即板的跨度，单向板的跨度常用1.72.5m；双向板的最大跨度可达5.07.0m；板和梁宜布置成等跨，板厚和梁的截面尺寸应力求各自统一。在方案设计阶段，框架的轴线尺寸一般已由建筑要求确定。剪力墙布置剪力墙如何布置、数量多少，是关系结构安全和技术经济合理性的关键，其布置的基本原则是：剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向布置，剪力墙墙肢截面宜简单、规则；剪力墙宜均匀布置在建筑物的周边附近，楼梯间、电梯间、平面形状变化及恒载较大的部位，剪力墙间距不宜过大；长矩形平面或平面有一部分较长的建筑物中，横向剪力墙沿长方向的间距应符合要求，纵向剪力墙不宜集中布置在房屋的两尽端。剪力墙的布置宜使结构各主轴方向的侧向刚度接近；平面形状凹凸较大时宜在凸出部分的端部附近布置剪力墙；纵、横剪力墙宜组成L形、T形和形等形式；单片剪力墙底部承担的水平剪力不宜超过结构底部总水平剪力的40；剪力墙宜贯通建筑物的全高，以避免刚度的突变；剪力墙开洞时，洞口宜上下对齐；楼、电梯间等竖井宜尽量与靠近的抗侧力结构结合布置；剪力墙宜设在框架梁、柱轴线平面内并保持对中，墙左、右端的框架柱应保留；剪力墙的总高度与其截面高度之比不应小于2，墙肢截面高度不宜大于8m，当剪力墙墙肢截面高度大于8m时，可用门窗洞口或用施工洞形成联肢墙；剪力墙的门窗洞口宜上下对齐、成列布置，形成明确的墙肢和连梁。4五、框架-剪力墙结构体系的优化（一）框架一剪力墙结构中剪力墙数量的优化研究近年来， 国内外学者提出了许多确定剪力培数量的实用方法，但大都是建立在以等效侧力计算总地震作用，地震作用为倒三角形分布的基础上，只能用于40m以下的高层建筑。随着我国高层建筑的发展，当地震烈度为7度、8度时，框剪结构的应用范围已扩大到100m以上，同时框架和剪力墙的截面或混凝土标号沿高度发生变化；另外，由于建筑功能的不同，质量沿高度也可能不均匀分布。此时，再按这些方法确定剪力墙数量就会产生较大的误差。中国建筑科学研究院黄世敏、魏琏等人提出地震区沿高变刚度框剪结构剪力墙最优数量的简化计算方法。计算中采用框剪结构协同分析的连续一离散化方法，分析过程中考虑了剪切变形和刚度变化、质量变化的影响。同时，由于采用振型分解法计算地震作用，故可用于40m以上高层框剪结构， 弥补了前人工作的不足。优化分析时首先假定综合剪力墙截面惯性矩初始值，由分析求得结构各楼层处的位移、转角、弯矩、剪力，判断是否满足优化控制条件，如不满足，修改重复，直到求出满足约束的最优墙数量为止。优化过程分两个步骤进行。首先，在求得组合地震效应后，扣除刚性扭转位移求得剪力墙部分的受力层间位移，然后按规范规定的剪力墙结构层间位移限值作为判断是否满足层闻位移限值的标准，求得最优剪力墙设计变量最小，其次，求得框架部分的受力层间位移(剪切变形，无刚性扭转角)，然后按规范规定的框架结构层间位移限值作为判断是否满足层间位移限值的标准，求得最优设计变量岛也厶也。取易厶和磊厶两者中较大值作为最终的最优设计变量，这样既满足了剪力墙结构部分的层间位移限值，又满足了框架结构部分的层间位移限值。而前人所做的剪力墙最优数量研究全部都是直接用层位移差和规范规定的框剪结构层间位移限制进行比较，这样做概念即不明确，又增加了剪力墙量，造成不必要的浪费。（二）框架剪力墙结构重量优化东南大学王法武等人啕，采用优化准则法，以结构自重为优化目标，同时考虑结构侧移要求和构件强度要求，对高层框架剪力墙结构的重量优化问题进行了研究。在该优化方法中，设计变量取框架部分构件的横截面积和剪力墙部分的墙厚，并且各个部分的截面特性最终都可以横截面的面积来反映。然后确定框剪结构的位移敏感度，即位移对设计变量的导数。目标函数为结构重量和设计变量即横截面积的关系函数，利用位移敏感度条件构造迭代公式，横截面积考虑离散取值而不是连续取值，最后通过极少次数的迭代完成运算。计算实例表明，所提出的方法可有效地应用于高层建筑的抗侧移设计中。（三）框架一剪力墙结构的分部优化是对剪力墙和框架分别进行优化，其优化的策略为：剪力墙结构的最优厚度设计，根据结构抗震概念设计及规定，结合建筑功能设计，初步选定剪力墙结构构件的设置位置。根据场地工程地质条件，在所涉及地震波长较短，周期较小时，结构自震周期越长，对结构抗震越不利。所以，对框架一剪力墙结构剪力墙抗侧移构件水平截面面积的优选原则就是：在水平地震作用下，结构水平侧移值达到或接近等于规范规定的最大侧移值。根据框架结构构件内力的计算结果分别对框架梁、框架柱及楼板结构进行分部优化设计，可得具有优化设计意义的梁、板、柱的几何尺寸。将此几何尺寸与前面已求出的剪力墙构件最优厚度重新组成新的框剪结构体系进行结构内力分析，按照计算所得结果，重新对框架结构构件进行优化设计。若两次优化计算结果基本一致，则认为最后优化计算结果即是整体