浅谈框架-剪力墙结构的抗震设计要点

1、浅谈框架剪力墙结构的抗震设计要点摘要:随着人口增加，按照人类的生活需要，涌现出许多高层建筑。随着2008年5.12汶川地震等自然灾害的发生，人们在建筑物抗震稳定性方面更加重视且要求更高。在四川、云南等抗震设防等级较高的地方，普通框架结构建筑难以满足抗震设计要求,而框架剪力墙结构在抗震作用中是一种较好的设计类型，本文针对一般高层框剪结构的抗震设计要点进行分析。关键词：高层建筑;框剪结构;抗震设计 Abstrractt：Aloong witth tthe inccreaase of poppulaatioon,mmanyy hiigh-risse bbuilldinngs havve bbeenn

2、 emmergged in acccorddancce wwithh thhe nneedds oof hhumaan llifee.Affterr thhe 220088.5.12 WennChuuan Earrthqquakke aand othher natturaal ddisaasteers,peooplee atttacchedd grreatt immporrtannce in thee seeismmic staabillityy off buuilddingg annd pput forrwarrd mmoree deemanndinng.IIn ssichhuann, yy

3、unnnan proovinnce wheere seiismiic fforttifiicattionn leevell iss hiigheer,aa orrdinnaryy frramee sttruccturre bbuilldinng ccannnot eassy tto mmeett thhe rrequuireemennt oof sseissmicc deesiggn, butt thhe fframme-ssheaar wwalll sttruccturre iis aa prrefeerabble typpe oof sseissmicc foortiificcatiion

4、.Thiis ppapeer mmakees aan aanallysiis oof tthe keyy poointt off seeismmic dessignn off thhe ggeneerall hiigh-risse fframme-ssheaar wwalll sttruccturre。Key wwordds:hhighh-riise buiildiingss;thhe fframme-ssheaar wwalll sttruccturre;sseissmicc deesiggn前言近些年来，全全国各地地多发的的地震灾灾害，不不断的警警示着人人们地震震灾害本本身并不不可怕，但但

5、是在地地震中因因为未采采取抗震震措施而而坍塌的的建筑物物才是给给人类带带来最多多痛苦和和灾难的的原因。国国内大城市市有近22/3处处于地震震区，但但是在我我国的地地震区内内，有很很大一部部分的建建筑物没没有考虑虑抗震设设防，还还有一部部分虽然然考虑了了抗震设设防，但但是原有有建筑物物中建筑筑材料的的老龄化化，以及及使用时时间过长长致使结结构功能能的逐渐渐减弱，并并不能满满足现有有抗震设设防的要要求。所所以无论论在建筑筑物最初初设还是是现有建建筑物进进行检测测、鉴定定，建筑筑都有需需要进行行或多或或少的抗抗震加固固处理的的可能性性。所以建筑结结构抗震震稳定性性具有极极高的研研究价值值，作为为建筑

6、行行业的从从业者更更应当引引起重视视，视之之为己任任。本文就具有有较好抗抗震能力力的框架-剪力墙墙结构（简简称框剪剪结构）进进行分析析。在进进行结构构设计时时，如何何控制好好框架和和剪力墙墙的刚度度差异，使使其构成成为协调调统一的的整体，即框架和和剪力墙墙的布置置，加固固措施等等多方面面探讨，以以期获得得更好的的抗震效效果，防防止建筑筑物的倾倾覆。最后还还简单介介绍了一一些能在在框剪结结构运用用的抗震震技术。框剪结构概概述1.1基本本设计原原则整体结构构构件应遵遵守“强柱弱弱梁、强强剪弱弯弯、强节节点弱构构件、强强底层柱柱（墙）”的原则则。主要要耗能构构件不能能是承受受竖向荷荷载的主主要构件件

7、。在同同一层楼楼内主要要耗能构构件屈服服后依然然能够保保证其它它抗侧力力构件处处于弹性性阶段，使“有效屈服”保持较长阶段，提高结构抗倒塌能力。强烈地震往往往伴随随着许多多次余震震，尽可可能设计计多道防防线，以以免出现现损失积积累。有有意识的的设计一一系列屈屈服区域域，该部部分主要要耗能构构件延性性和刚度度均要满满足要求求，使之之吸收和和消耗地地震能量量，提高高建筑物物抗震性性能，避避免倒塌塌。抗震结构体体系中不不能出现现刚度过过强的部部分，而而各部分分构件间间应当由由延性较较好的结结构构件件连接，才才能使结结构整体体协同作作用，不不至于先先后破坏坏的情况况出现。对对于较薄薄弱环节节应当适适当采

8、取取加强措措施，使使之有足足够变形形能力又又不会发发生薄弱弱层转移移。1.2框剪剪结构变变形形式式纯框架结构构侧向刚刚度小，而而地震作作用力主主要是横横向荷载载。在地地震荷载载作用下下框架结结构产生生的侧移移较大，尤尤其是底底部层间间位移大大，难以以满足国国家抗震震设计规规范规定定的弹性性层间位位移角限限值11。在地震震水平荷荷载作用用下，框架架结构具具有一定定的侧向向刚度，能承受了一定的水平荷载作用，其变形曲线形成剪切型式，最大水平位移发生在建筑物底层。同样在水平力作用下，剪力墙相当于一段固结在地面的竖向悬臂结构，承受水平荷载时其变形曲线呈弯曲型，楼层越高水平位移增长速度越快，顶点为最大水平

9、位移。在抗震设防防等级较较高的地地区，仅仅仅依靠靠框架结结构自身身的侧向向刚度承承受地震震水平荷荷载，难难免会出出现“肥梁胖胖柱”的现象象，这样样的结构构设计既既影响建建筑的空空间灵活活性，同同时又造造成造价价成本的的浪费。而而当两者者协调作作用于同同一结构构体系中中时，通通过楼板板连接使使得框架架、剪力力墙和谐谐的整合合在一起起，互相相弥补各各自的劣劣势，使使得框架架、剪力力墙的变变形形态态呈现出出弯剪型型变形，其其最大层层间位移移在结构构的中部部。这样样的框架架设计形形式，在在地震中中，整体体建筑物物中底层层剪力墙墙会承担担80%以上水水平向剪剪力2，以弯弯曲代替替框架的的剪切消消耗地震震

10、能量，在在高层中中由框架架作为抗抗侧力构构件吸收收剩余地地震能量量。下图图为框剪剪结构结结构变形形形态示示意图3：框剪结构结结构变形形形态示示意图由上图可以以看出，框框剪结构变变形中框框架与剪剪力墙对对结构的的抗侧刚刚度的贡贡献是由由高度来来决定的的。因此此在框架架抗震设设计中需需要考虑虑的一个个因素即即为剪力力墙的中中断问题题。1.3框剪剪结构设设计参数数目前大部分分论文中中均提出出应用刚刚度特性性值，及框框架刚度度和剪力力墙刚度度的比值值来代表表。在忽忽略连梁梁的约束束变形和和轴向变变形情况况下，以以如下公公式表达达2：式中：H建筑的的总高程程Cf框架架结构的的水平刚刚度EIW剪剪力墙的的

11、折算总总抗侧刚刚度框剪结构刚刚度特性性值是控控制框架架结构中中剪力墙墙使用量量的一个个参数。当当太小时时，说明剪剪力墙使使用过量量，造成成建筑物物整体刚刚度过大大，而延延性较差差。剪力力墙并非非越多越越利于抗抗震，当当剪力墙墙过多时时，自振振周期变变大，会会吸收更更多的地地震能量量，不利利于建筑筑物的稳稳定。同同时剪力力墙过多多还造成成造价成成本上的的经济损损失。可可见剪力力墙的数数量应当当处于一一个合理理的限度度。当然然当太大时时，剪力力墙数量量不足，失失去了框框剪结构构设计的的初衷，为为保证抗抗震要求求会造成成框架柱柱横截面面增大，同同样造成成材料浪浪费经济济损失。根根据实践践证明，值控制

12、制在1.115和2.4之间较较为合理理4。此外，框架架结构的的“墙率”（指楼层层剪力墙墙的截面面面积占占楼层总总面积的的比率）和“壁率”（平均每每单位建建筑面积积上的剪剪力墙长长度）也也可以帮帮助我们们衡量框框剪结构构中剪力力墙数量量是否合合理。剪力墙抗震震设计2.1剪力力墙布置置剪力墙的位位置，截截面尺寸寸，数量量，形状状都会影影响剪力力墙自身身的刚度度，而剪剪力墙刚刚度则对对框剪结结构整体体抗侧力力刚度起起到决定定性作用用。前面面已经讲讲到了剪剪力墙数数量的影影响，而而另外一一个主要要影响因因素即为为剪力墙墙的布置置位置。剪力墙布置置的原则则可以总总结为：规则，对对称，均均匀，分分散，周周

13、边多布布，中间间少布。根根据高高层建筑筑混凝土土结构技技术规程程，建建筑抗震震设计规规范GB5500111-220100等，均均有对于于框剪结结构中剪剪力墙布布置的规规定，这这里不一一一赘述述。但在在设计参参考时，实实际中最最需要把把握的为为以下几几点要求求：均匀性：剪剪力墙一一般布置置在建筑筑物的外外墙，电电梯间，楼楼梯间，要要纵横向向均布置置剪力墙墙，并保保持各主主要轴向向的刚度度接近，以以提高建建筑物的的刚度。分散性：地地震中考考虑地震震力分散散到多片片刚度相相似的剪剪力墙，而而非集中中在一个个较小区区域去消消耗地震震能量。对称性：剪剪力墙布布置尽量量使结构构的刚度度中心尽尽量与质质量中

14、心心相接近近，缩小小偏心距距，以减减弱地震震时结构构的扭转转振动。2.2剪力力墙加固固措施剪力墙设计计中周边边增加设设置梁柱柱结构，形形成边框框剪力墙墙5。与梁梁柱交接接处需要要增设螺螺旋筋。首首先可阻阻止斜向向裂缝向向邻近结结构的扩扩展，另另外也可可以在剪剪力墙破破坏后代代替其承承载。单片剪力墙墙不易过过长，利利用洞口口将剪力力墙划分分成双肢肢或者多多肢，可可以降低低自身刚刚度，避避免地震震中底部部墙体过过早屈服服。同时时还可以以控制裂裂缝和屈屈服部位位出现的的位置，形形成一个个耗能构构件。但但是注意意避免墙墙肢长度度突变和和洞口上上下没对对齐的情情况出现现。当剪力墙承承载力或或者刚度度不足

15、，可可在剪力力墙外围围加钢筋筋，再浇浇筑混凝凝土将原原剪力墙墙厚度增增大，以以达到加加固的目目的。但但是需要要注意其其对相关关梁、柱柱的影响响和相邻邻楼层刚刚度的影影响，应应避免形形成新的的薄弱层层。剪力墙本身身的缺陷陷之一为为自重大大，自振振周期短短，材料料用量增增加。对对于短肢肢剪力墙墙，墙体体间的洞洞口不安安装门窗窗，一定定要用砖砖或其他他轻质材材料填充充，以减减轻结构构自重。若建筑物存存在层高高变化的的问题，设设置底部部加固措措施会引引起竖向向受力和和刚度变变化，形形成薄弱弱层。对对于此可可以考虑虑通过沿沿高度调调整剪力力墙的厚厚度和混混凝土强强度等级级的方法法，并进进行反复复试算以以

16、达到整整体刚度度均匀变变化。2.3剪力力墙设置置合理性性验算剪力墙结构构的布置置合理性性，显然然不仅仅仅是以满满足弹性性层间位位移角限限值作为为唯一衡衡量标准准。首先先应合理理选择周周期范围围，第一一，二、三三周期分分别代表表X方向,Y方向及及扭转周周期,范围参参数值根根据全全国民用用建筑工工程设计计技术措措施作作参考，范范围内以以周期长长一点为为佳，根根据具体体情况可可超出范范围作相相应的调调整。另另外规范范要求的的剪重比比也是衡衡量剪力力墙构件件抗侧力力刚度的的一项参参数。还还可以计计算结构构底层的的剪力来来验证剪剪力墙的的布置，这这点同样样需要在在框架结结构中进进行验算算。框架构件的的抗

17、震设设计3.1框架架结构的的布置在高层建筑筑中，框框架结构构的布置置原则已已经在实实践中和和理论中中均得到到较多的的总结：一般规规则归纳纳为“强柱弱弱梁”，“强剪弱弱弯”，“强节点点弱构件件”。当然然超高层层建筑拘拘泥于这这种一般般原则不不一定是是合理的的，这里里不做讨讨论。“强柱弱弱梁”简单说说梁的破破坏属于于局部构构件破坏坏，柱的的破坏则则会危及及整个建建筑物甚甚至导致致坍塌。“强剪弱弱弯”则是说说尽量使使构件先先发生弯弯曲延性性破坏再再发生剪剪切破坏坏，因为为剪切破破坏是脆脆性破坏坏，无法法预见，瞬瞬时发生生，无法法预防。“强节点弱构件”即节点的承载力应高于连接构件，因节点失效意味着与之

18、相连的梁与柱都失效。对于具体抗震构造要求可参考建筑抗震设计规范GB50011-2010。对于梁，截截面尺寸寸要保证证不发生生生斜裂裂缝破坏坏、斜压压型脆性性破坏。配配筋率应应保证梁梁的变形形能力，箍箍筋的间间距则关关系到压压筋是否否会过早早屈服。在在较强地地震作用用过程中中，纵筋筋可能处处于交替替拉、压压状态下下，根据据试验结结果，这这时钢筋筋与其周周围混凝凝土的粘粘结锚固固性能将将比单纯纯受拉时时不利。对于柱，合合理的截截面尺寸寸和轴压压比均是是要保证证结构的的延性。纵纵向钢筋筋对称配配置，绑绑扎接头头应避开开柱端的的箍筋加加密区。在在地震力力反复作作用下，柱柱端箍筋筋保护层层往往首首先碎落

19、落，若无无足够箍箍筋束缚缚，难以以对核心心混凝土土起有效效约束作作用，提提高配筋筋率可显显著提升升受压混混凝土的的极限压压应变。3.2框架架的加固固措施本文所讨论论的在框框架结构构中，在在外围设设置钢筋筋混凝土土剪力墙墙结构，其其本身就就是对框框架结构构进行抗抗震加固固的一种种措施。下下以下是是对框剪剪结构体体系中框框架构件件加固的的方法：框架结构是是强调整整体性的的建筑结结构。保保持结构构的整体体性，最最直接的的方法是是对框架架角柱的的加固。角角柱是连连接纵横横梁柱的的关键，角角柱的加加固同样样对构件件抗侧力力刚度有有所加强强。在结构中适适当位置置增加偏偏交斜撑撑等赘余余构件，用用弯曲耗耗能

20、的形形式代替替轴变的的耗能形形式，其其中折曲曲支撑可可以利用用钢纤维维混凝土土杆来制制造，偏偏心连接接支撑一一般采用用钢杆或或者劲性性钢筋混混凝土杆杆构成5。当赘余构构件因为为形变而而失去作作用后，整整体结构构会发生生稳定体体系的变变化，建建筑自振振周期随随之改变变，这样样又避免免了地震造造成的建建筑物的的共振效效应。框架结构的的特定位位置设置置塑性铰铰。塑性性铰使得得在地震震中结构构的水平平构件首首先屈服服，然后后才是竖竖向构件件。这就就是按照照“强柱弱弱梁”的设计计方法，通通过塑性性铰控制制变形的的位置、顺顺序、以以及变形形程度来来形成一一个较好好的耗能能构件以以抵抗地地震作用用力。对框架

21、结构构中梁和和柱加固固的形式式非常多多，总体体归结为为二类：一是通通过调整整构件截截面面积积来使构构件的受受力性能能满足抗抗震需求求。第二二即使用用钢筋或或者纤维维材料对对梁或柱柱进行约约束，可可以是箍箍筋，也也可以在在构件外外围通过过围套或或者粘贴贴的形式式进行加加固。实践中，所所谓构件件加固，还还有可能能并不是是新设计计构件，构构件加固固前本身身已经承承受有相相应荷载载，产生生了应力力应变，存存在压缩缩变形，弯弯曲变形形，即第第一次受受力；而而当结构构构件无无法满足足刚度要要求等情情况下，会会在未卸卸载的情情况下对对构件进进行加固固。新增增的加固固，只有有在荷载载增加时时，构件件才开始始受

22、力，即即为第二二次受力力6。破坏坏时，两两者可能能不会同同时达到到自身的的承载能能力极限限，加固固设计时时需予以以充分的的考虑。3.3框架架设置合合理性验验算框架结构所所受水平平剪力随随着高度度增加而而减下，在顶部部框架结结构所受受剪力会会大于剪剪力墙所所受剪力力。在框框剪结构构中，需需要验算算框架抗抗倾覆力力矩占总总抗倾覆覆力矩的的比例，两两个方向向接近且且在40% 500% 间较好好7。按照照框剪结构的的受力特特性，框框架所承承担的抗抗倾覆力力矩是随随层高逐逐渐增大大，实际际只需底底层满足足抗倾覆覆力矩所所占总抗抗倾覆力力矩比例例的要求求即可。需要提出的的是，结结合本文文2.3节，实际际上

23、，国国际上对对于框剪剪结构体体系中框框架和剪剪力墙的的布置并并没有形形成一个个统一的的标准。例例如日本本采取平平均压应应力和剪剪力墙截截面率双双指标进进行控制制分析8。而国外外有作者者认为应应该通过过对剪力力墙的调调整保持持框剪结结构中整整个框架架的受力力沿高度度保持均均匀分布布。而国国内，不不同的文文章和建建筑实例例显示了了不同的的控制指指标，但但归结起起来大体体是按照照剪力墙墙承担底底部剪力力的百分分比和剪剪力墙或或框架承承担倾覆覆力矩占占总倾覆覆力矩的的百分比比进行考考量。无无论如何何，对于于框剪结结构的研研究，在在实践应应用上还还远远滞滞后于理理论研究究。对于于框剪结结构体系系中各部部

24、分构件件设置合合理性的的判断，以以及整体体是否能能协调统统一，都都需要进进行反复复验算。并并且在实实际建筑筑过程中中，遇到到的问题题要复杂杂许多，需需要考虑虑的变量量和约束束条件更更多，我我们首要要的任务务应该是是把控好好施工程程序严格格按照结结构设计计所做，保保证结构构稳定的的同时，尽尽量减少少材料浪浪费，成成本损失失，在现现有条件件下达到到抗震性性能的最最优方案案。提高建筑抗抗震性能能的技术术应用随着计算机机科学技技术的发发展，在在计算机机上进行行结构的的简化计计算，得得到构件件在荷载载作用下下的计算算简图，利利用合理理的力学学模型和和数学模模型获得得更为符符合实际际的抗震震验算结结果，保

25、保证在地地震作用用下结构构传力途途径简单单，直接接。选择有利于于抗震的的地形和和地基形形式，同同一房屋屋的结构构单元的的基础形形式要一一致，整整体设计计要充分分发挥地地基的抗抗震作用用，避免免在危险险地段修修建高层层建筑物物。随着建筑材材料的发发展，选选择轻质质材料，在在造价成成本可控控制的前前提下，有有利于减减轻结构构自重。自自重减少少了则向向基础传传递的荷荷载减少少，这又又降低建建筑物的的基础设设计要求求，即有有利于保保证结构构稳定又又节约了了基坑工工程的造造价成本本。抗震技术创创新：隔震技技术：建建设过程程中，施施工人员员根据图图纸规范范操作，熟熟练的应应用先进进的架设设和铺设设技术，将

26、将底部和和上层分分割，铺铺设隔震震装置，并并保证其其稳定性性。目前前发展起起来的隔隔震装置置包括：夹层橡橡胶垫隔隔震、铅铅芯橡胶胶垫隔震震、滑动动摩擦隔隔震、滚滚动隔震震层、支支撑式隔隔震、滚滚轴隔震震等新型型抗震技技术效能减减震技术术：选用用能够是是内部结结构稳定定的构架架兼顾型型阻尼元元件设备备，能够有有效的保保护房屋屋结构的的重要部部位，特特别是墙墙体内的的一些细细节部位位。目前前日本对对于阻尼尼元件的的研究走走在世界界前列，对对于我国国的建筑筑抗震技技术应当当多加借借鉴和学学习。总结框架-剪力力墙结构构的优点点主要体体现在优优良的抗抗震性能能和抗风风性能，并并且方便便施工，施施工工期期

27、短，经经济效益益好。由由于兼备备框架和和剪力墙墙的特征征，不仅仅具有大大的承载载力，还还能吸收收部分地地震中的的能量，因因而在高高层建筑筑中受到到结构工工程师们们的亲睐睐。它的的特殊的的优势比比较纯框框架结构构建筑物物更符合合现在社社会发展展对与高高层建筑筑物建设设的需要要，尤其其在地震震烈度较较高的区区域。框框架剪力力墙结构构体系作作为高层层建筑结结构主要要的结构构设计体体系，其其设计质质量的好好坏直接接影响到到了建筑筑物的合合理性和和经济性性。如何何将剪力力墙与框框架结构构的形变变特征和和谐起来来，提高高框剪结结构的抗抗震性能能是当下下框剪结结构研究究与发展展过程中中最关键键的问题题。虽然

28、国内外外都在不不断对框框剪结构构进行分分析研究究，但是是地域差差异，设设计要求求差异，使使得框剪剪结构的的研究还还需更多多的实践践经验和和案例供供结构工工程师们们参考。随随着20008年5.112汶川地地震，以以及国内内各地接接连发生生的地震震灾害，给给人类社社会带了了难以估估量的经经济损失失和无尽尽的精神神损失。在在自然灾灾害背后后，得到到的启示示与反思思是从国国家到普普通百姓姓均对与与建筑抗抗震性能能的提升升日益关关注。总总而言之之，在剪剪力墙结结构体系系的设计计中，我我们要充充分考虑虑场地、地地基、施施工条件件、经济济等方面的因因素，按按照规范范要求进进行结构构设计校校核，以以提高抗抗震设计计水平。框剪结构在高层建筑中具有极高的研究价值，随着建筑技术和建筑材料的发展，可以预期框剪结构的抗震性能还有大幅提升的空间。参考文献18度度设防区区框架一一抗震墙墙结构的的抗震性性能和造造价增量量分析,王鹏，周周东华，赵赵惠敏，武武晓英J四川建建筑科学学研究，20009,335(33)：1591600.2高层层框架剪剪力墙结结构抗震震设计的的技术要要点分析析,郭兆伟伟J建筑技技术与应应用，20111（1）：24-25.3剪力力墙布置