1、高层建筑框架剪力墙结构的设计分析摘要：框架剪力墙结构被广泛的运用到高层建筑物中，高层建筑物的防震设计非常重要，所以，需要合理的设计框架剪力墙结构，正确的分布剪力墙的位置，增强框架，改善整体抗震能力都可以对建筑物防震起到巨大的作用。本文作者结合多年来的工作经验，对高层建筑框架剪力墙结构的设计进行了研究，具有重要的参考意义。 关键词：高层建筑 ；剪力墙 ；结构设计； 中图分类号：TU97 文献标识码：A 引言 随着建筑高层化的发展，对剪力墙性能及施工质量提出了更高要求。对于从事高层结构设计的工程师来说，只有对框架结构剪力墙结构的优缺点和技术要点全面把握，并能够吸收当代高层建筑结构设计的一些成功经验
2、，并把结构的经济性、合理性与结构抗震的安全性等诸多因素加以统筹考虑，才能很好的与建筑师配合并设计出经济合理的高层建筑结构体系。 一、框架、剪力墙的受力特点 1 框架结构的受力特点 柱子是承重的关键，柱子上方架着横梁，横梁上面铺设楼板。框架结构的建筑物往往有粗大的柱子，这样才能够能够保证柱子有足够的强度支撑建筑物的重量。框架结构的这一受力特点导致采用框架结构的建筑物对横向受力的抵抗力不足，尤其是如果遇到地震，楼层间甚至可能出现移动。 2 剪力墙结构的受力特点 剪力墙结构是利用钢筋混凝土结构的墙体作为主要承重结构，比如建筑外墙，这些墙体有着抗震，抗侧刚度大，结构的整体性好的特点。尤其是现浇的钢筋混
3、凝土，负载高，水平荷载大，抵抗水平力的作用明显。 3 框架一剪力墙结构的受力特点 框架一剪力墙结构是由梁柱搭建框架，再在部分框架间布置剪力墙，框架间填充加气混凝土轻型墙体，让剪力墙和框架一起承重，增加建筑物的承重能力。利用框架结构的灵活多变的特点划分建筑空间，利用水平荷载能力强的剪力墙抵抗水平方向的受力。框架一剪力墙结构把框架和剪力墙的优点结合在一起，相互弥补了对方的弱点。 二、设计计算中的几个问题 1 剪力墙的布置 原则上，布置剪力墙应该尽量保证对称、均匀、分散。剪力墙应该沿着房屋的方向，纵横布置，以外墙、电梯、楼梯、拐角剂周边等处为宜。在分布上尽量满足对称原则，这样的分布可以尽量使建筑物的
4、刚度中心和质量中心接近。增加抵抗扭转的内力臂，最大化的加强建筑物的整体强度，提高抗扭转能力。在纵向方向布置的剪力墙应该从地基一直到房顶，保证墙体刚度。每片剪力墙的尺寸不要太长，最好不超过 8m，尽量分散成多片，增加一片剪力墙就等于增加了一个抵抗水平力的结构。尤其是具有一定转折的剪力墙拥有更加优秀的抗侧力效果，比如 L 形、十字、圆形等形状。 2 剪力墙的厚度 框架一剪力墙结构中，对于带有边框的剪力墙厚度有一定的规范。如果该建筑处于震区，或者要考虑到抗震设计，那么剪力墙的高度大于等于建筑物层高的 1/16，底部的剪力墙加强部位厚度应该大于等于200mm，无论是第一级还是第二级剪力墙都应该满足这个
5、规范。如果不考虑抗震设计，那么剪力墙的高度应该大于等于建筑物层高的 1/20，且厚度大于等于 160mm。而边框的梁最合适的宽度就等于剪力墙的厚度，边框梁的高以剪力墙的 2 倍为宜。 3 重视屋面小塔楼的不利影响 现在的高层建筑物，在屋顶处常会设计小塔楼、电梯间、等突出屋顶的建筑结构。由于塔楼结构的质量和刚度比建筑物主体小很多，一旦发生地震，在鞭梢效应的影响下，小塔楼会产生水平位移。就算建筑物主体并未受到损坏，塔楼也可能会因为鞭梢效应的作用遭到破会。目前，大部分高层建筑物在设计的时候都将塔楼和建筑物主体分离设计，在抗震设计的时候也是分别进行计算。计算高层建筑物顶部小塔楼的地震作用非常重要，现在
6、主流的计算方法是底部剪力法，计算顶部塔楼受到的地震作用需要考虑增大系数。由于底部剪力法计算比较复杂，为了简化计算方法，我们可以将小塔楼看做一个单独的结构，在地面计算小塔楼受到的地震作用，将得到的结果乘以增大系数就可以得到小塔楼在屋顶受到的地震作用了。由于设计建筑主体的时候一般都忽略塔楼对建筑主体的地震作用，仅仅计算和塔楼连接的部位。这样的算法还是存在缺陷，如果遇上强震，塔楼在鞭梢效应的影响下，必定会对建筑物主体产生不良作用。 4 框架剪力墙结构的抗震设计 在设计框架剪力墙结构的抗震性能时，必须符合相关规程。在水平力作用下，框架剪力墙结构底层的框架部分所承受的地震倾覆力矩与结构总地震倾覆力矩有一
7、个比值(以下简称力矩比值)，根据这个比值的不同，要采取不同的设计：当力矩比值小于 lO时，按剪力墙结构进行设计，其中的框架部分应按框架一剪力墙结构的框架进行设计。当力矩比值大于 10时，按框架一剪力墙结构设计，力矩比值在 5O至 80之间的，可以适当的增加框架剪力墙的最大高度。框架和剪力墙的部分应该按照各自的标准设计抗震等级及轴压比。当力矩比值大于 80时，框架剪力墙的最大高度必须按照框架结构设计，在抗震等级及轴压比的设计上也和前一种情况有所不同，框架部分按照框架结构设计，剪力墙按照框架剪力墙结构进行设计。 三、高层框剪结构抗震设计的技术要点 1 提高剪力墙的抗震能力 (1)提高剪力墙的抗震能
8、力需要加强对倾斜方向裂缝的控制，我们可以利用边框剪力墙来实现这一目的。将梁柱设计在剪力墙的边上，增加拥有倾斜方向承载力的边框结构，这些边框能够阻拦倾斜的裂缝。如果剪力墙产生裂缝，边框结构可以减低附加剪应力，阻止裂缝衍伸到其他部位。 (2)合理的肢墙面积。 如果剪力墙纵向设计有洞口，那么这片剪力墙就变成了联肢墙，联肢墙的中间受到横梁的约束。联肢墙有双肢墙和多肢墙两种情况，双肢墙上只有一列洞口，多肢墙上有多列洞口。 这样的设计降低了剪力墙的刚度，增强抗震能力。即使出现裂缝也往往是在洞口或横梁部位，降低了对墙体的伤害。 2 改善框架的抗震能力 (1)强化角柱。要增强抗震能力就应该强化框架的角柱，提高
9、抗剪应能力。作为框架结构的关键部分，角柱起到连接梁和柱子的作用只有强化了角柱才能从整体加强框架结构。 (2)增强框架的抗震能力需要提高整体框架对推力的抗性，降低横向的位移，尤其要注意减少楼层之间的移动。可以在框架内分散布置用钢筋混凝土浇筑的剪力墙。由于这样的设计没有良好的延展性，我们可以设计一些有延展性的墙体，降低刚度。比如在剪力墙的墙体上合理的增加开口，形成耗能结构，有效的将震能释放。 (3)在框架剪力墙结构中，设计赘余构件可以有效的抵消地震部分的能量。设计赘余构件时可以使用钢筋做骨架的混凝土作为支撑构件，发生地震时，震能会首先影响这些构件，当这些构件被破坏之后，建筑物的整体结构也会发生一定
10、的改变，同时改变了自振频率，避免和形成共振。 3 改善整体抗震能力 ( 1)如果在框架剪力墙结构中的梁端和柱端安装“塑性铰” ，可以在框架剪力墙结构中形成耗能结构。由于塑性铰能够承受、传递一定的弯矩，地震发生时，即使纵向钢筋发生屈服也不会瞬间破坏结构，而是在塑性铰的作用下承载。水平的构件会先于纵向构件发生屈服， 避免建筑物发生垮塌。 ( 2)依照建筑物的实际情况，在框架剪力墙整体结构的刚度和承载能力之间寻求平衡。由于地震发生时，建筑物会的自振周期容易和地震产生共振，如果使用了过多的剪力墙就会减小自振周期，增加建筑物的刚度。那么，加大自振周期就可以有效减少地震作用。在设计的时候布置数量合理的剪力
11、墙，适当的使用短肢墙来减少剪力墙的面积，既可以减轻建筑物的整体重量，有能够有效的防御地震的影响。 ( 3)由于框架和剪力墙的材料，制造工艺不相同，两者的结构也不一样，他们存在着刚度、弹性和延展性等多种差异。有可能导致框架剪力墙结构的构件之前无法有效的合作，构件之前缺乏协调，降低了建筑物的抗震能力。只有在考虑协调性的基础上，经过严密的计算和设计，在结构的刚度、弹性和延展性之间做好平衡才能够最大程度抵抗地震力。四.结语 尽管在高层建筑中框架剪力墙已经得到广泛的应用，并且也取得了前所未有的高度和成就，但是该结构复杂的受力特性使得在抗震性能上还有很大的改进空间。在进行转换层的设计构造时，严格遵循本文提到的结构设计要求，特别是抗震概念要求，在转换层附近适当提高其构造等级要求，增强整体抗震能力，使得框架剪力墙结构更好地应用到高层建筑中。 【参考文献】 1 文伟 剪力墙结构在建筑结构设计中的应用分析 期刊论文 城市建设 -2010 年 35 期 2 刘仲臣 剪力墙结构在建筑结构设计中的应用分析 期刊论文 城市建设理论研究（电子版） -2012 年 1 期 3 刘鹏 剪力墙结构在建筑结构设计中的应用 期刊论文 城市建设理论研究（电子版） -2012 年 3 期 4 刘建国 剪力墙结构在建筑结构设计中的应用分析 期刊论文 城市建设理论研究（电子版） -2011 年 19 期
