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1、 论框架与剪力墙结构设计之优缺点及设计对策论框架与剪力墙结构设计之优缺点及设计对策【摘 要】我国建筑行业的快速发展，促进了高层结构的广泛应用，而框架结构更多的应用于多层车间等结构。作为专业技术设计人员均应从建筑的体型及平面功能要求合理选择适当的结构体系，并严格按照现行规范要求，设计出即经济又实用的结构。【关键字】框架结构；剪力墙结构；设计；措施随着我国经济的飞速发展，建筑行业也在此期间有了快速的发展，从以前的多层占主导地位，到现今的高层鳞次栉比。但随着城市的快速发展，土地的消耗量与日俱增，这势必会促使人们就如何减少土地使用量的同时又满足消费者的刚性需求之间去寻求一种平衡。这样就促进了高层结构的
2、广泛应用，而框架结构更多的应用于多层车间等结构。1 结构体系的受力特点1.1 框架结构体系1.1.1 框架结构体系以梁与柱为受力构件，通过抗弯节点连接构成。即承受竖向荷载，也承受水平荷载，此种结构体系较适用于多层建筑及高度较低的高层建筑（详见建筑抗震设计规范gb50011-2010 中第 48 页表 6.1.1） 。1.1.2 框架结构的优点是建筑平面布置灵活，可以做成有较大空间的车间、办公楼、会议室、教室等。当使用方需要时可自行分隔成小房间，或拆除部分隔墙形成大开间，因而使用上非常灵活；另外墙体均为非承重墙，立面设计可不受限制，能灵活多变。1.1.3 框架结构可通过合理的设计，形成良好的抗震
3、性能。但框架结构侧向刚度相对较小，结构顶点位移和层间相对位移较大，在水平地震力作用下，容易发生剪切变形，使得非结构构件在地震时容易破坏，因此一般框架结构适用高度相对较低。当框架结构平面布置较规则时，由于各部分刚度比较均匀，框架结构具有较大延性，自振周期长，因而对地震的作用不是很敏感，抗震性能较好。1.1.4 框架结构在抗震设计时不应采用部分由砌体墙承重的混合形式，框架结构中的楼梯、电梯间及局部出屋顶的电梯机房、楼梯间、水箱等应采用框架承重，不应采用砌体墙承重。楼梯休息板宜用柱支承，而不宜用折梁做法，局部突出屋面的结构不宜布置在房屋尽端。1.2 剪力墙结构体系1.2.1 剪力墙结构体系是利用混凝
4、土墙体承受竖向及水平力，同时它又作为建筑物的维护结构及房间分隔墙。剪力墙在抗震设计中也称抗震墙，它在自身平面内刚度很大，强度很高，整体性能好，在水平荷载作用下变形小，抗震性能较强，因此它适用于高度较高的高层建筑。1.2.2 剪力墙结构的墙间距不能太大，平面布置没有框架结构来的灵活，因此比较适用于高层住宅建筑及办公建筑，而不适用于大型公共建筑。当为满足大开间需求时，可把底部一层或几层的部分剪力墙取消，用框架代替，即可形成底部大空间剪力墙结构，这种结构称其为框支剪力墙结构。1.2.3 剪力墙结构一般在水平荷载下发生弯曲变形。当把以上两种结构体系用在同一个结构中时，通过梁板等水平构件协同工作，共同抵
5、抗水平荷载，即形成框架-剪力墙结构体系，此种体系的弯曲变形一般呈弯剪型，通过对两种结构的取长补短，达到更好的受力性能，上部位移也比纯剪力墙结构小好多，但比框架结构要大。2 以上两种体系的延性设计众所周知，结构延性越好，塑性铰出现的越多，结构的抗震性能就越好。在大震下，即使结构构件达到屈服，仍然可以通过屈服截面的塑性变形来消耗由地震产生的巨大能量，有效的避免了结构发生脆性破坏。2.1 框架结构的延性设计原则2.1.1 强柱弱梁。设计原则是控制塑性铰在框架中出现的位置。不会引起结构局部或整体破坏的塑性铰应早出、多出。在设计延性框架时，要控制塑性铰，使之在梁端出现（不允许在跨中出现塑性铰） 。梁的延
6、性远大于柱，这是由于柱是压弯构件，轴力大，其延性不如受弯构件；而作为结构的主要承重构件，柱子破损不易修复，也容易导致结构倒塌，因此延性框架应设计成强柱弱梁结构。2.1.2 强剪弱弯。要保证梁、柱构件具有足够延性，其要害是防止构件过早出现脆性剪切破坏。这里对梁柱的剪跨比提出了具体的要求：受弯构件，剪跨比a/h0;受压构件，剪跨比m/(vxh0) ;当框架柱反弯点在层高范围内时，柱剪跨比hn/2h0。尽量使柱剪跨比大于等于 2，若小于 2 既为短柱，柱子将发生以剪切为主的脆性破坏，延性低。2.1.3 强节点，强锚固。必须保证各构件的连接部位不过早破坏，这样才能充分发挥构件塑性铰的延性作用，不出现脆
7、性剪切破坏。2.2 剪力墙结构的延性设计2.2.1 强墙肢，弱连梁。与框架的强柱弱梁类似，联肢墙的破坏形态以强墙肢弱连梁为好，即连梁先于墙肢屈服，使塑性变形和耗能分散于连梁中，但允许墙肢屈服，降低对连梁延性和耗能能力的要求， 建筑抗震设计规范gb50011-2010 中通过弹性计算时连梁的刚度折减，从而减小连梁的内力设计值，降低连梁的承载力。2.2.2 强剪弱弯。采用剪力墙增大系数调整墙肢底部加强部位截面的剪力计算值和连梁梁端截面组合的剪力设计值，使墙肢和连梁实现强剪弱弯。2.2.3 限制剪跨比。剪力墙的破坏形态与剪跨比有很大关系。剪跨比m/vh,当超过 2 时，以弯曲变形为主，弯曲破坏的墙具
8、有较大的延性。剪跨比小于 1 时，以剪切破坏形态为主，塑性变形能力很差。2.2.4 限制墙肢轴压比。轴压比是影响墙肢延性的主要因素之一，因低轴压比墙肢有较好耗散能力，而墙肢底部是最有可能屈服，形成塑性铰的部位，当然底部轴压比肯定是最大的部位，所以底部的轴压比需受到严格限制。2.3 墙肢的延性设计2.3.1 避免出现小剪跨比。2.3.2 设置底部加强部位。2.3.3 设置约束边缘构件。2.3.4 墙肢端部设置钢骨。2.3.5 控制分布钢筋的最小配筋率。2.4 连梁延性设计2.4.1 降低连梁刚度或弯矩设计值。连梁是一个受到反弯作用的梁，通常跨高比都比较小，因而容易出现斜裂缝，也容易出现剪切破坏。
9、为了做到强墙弱梁，减小连梁剪力，在内力计算后连梁可进行调幅来降低其弯矩及剪力。但折减系数也不能过小，以保证连梁有足够的承受竖向荷载的能力。2.4.2 混凝土连梁开缝。将连梁沿梁高方向分成几根跨高比较大的梁，在大震时发生延性较好的弯曲破坏。2.4.3 采用交叉配筋形式。斜筋抵抗由抗剪作用所引起的拉应力，可有效的防止斜裂缝的开展。3 钢筋混凝土结构的构造措施3.1 框架结构主要构造措施：3.1.1 框架结构梁抗震设计时，纵向受拉钢筋的最小配筋百分率不应小于高层建筑混凝土结构技术规程jgj3-2010 第 62 页表 6.3.2-1 中的数值；梁端箍筋的加密区长度，箍筋最大间距和最小直径应符合表 6
10、.3.2-2 中的数值；当梁端纵向钢筋配筋率大于 2%时，表中箍筋直径应增加 2mm。3.1.2 框架柱的构造要求。柱剪跨比宜大于 2，否则就变成短柱，箍筋需全高加密；柱截面高宽比不宜大于 3；建筑抗震规范gb50011-2010 对柱的轴压比限值有了修改。柱纵向受力钢筋最小配筋百分率需满足高层建筑混凝土结构技术规程jgj3-2010 中第 67 页表 6.4.3-1;抗震设计时，柱箍筋在规定的范围内加密，加密区的箍筋间距和直径应符合表 6.4.3-2 的要求。剪跨比不大于2 的柱，箍筋间距不应大于 100mm；边柱、角柱及剪力墙端柱考虑地震作用产生小偏心受拉时，柱内纵筋总截面面积应比计算值增
11、加 25%。当柱截面大于等于 600，且轴压比较大时，需手工验算柱箍筋加密区的体积配箍率。3.2 剪力墙结构主要构造措施：3.2.1 剪力墙各墙段的高度与墙段长度之比不宜小于 3，墙段长度不宜大于 8 米。3.2.2 底部加强部位一般从地下室顶板算起，高度取地上两层及墙肢总高度的 1/10 二者的较大值。3.2.3 不宜采用一字型短肢剪力墙，不宜在一字型短肢剪力墙上布置平面外与之相交的单侧楼面梁。3.2.4 按墙肢轴压比合理设置剪力墙两端及洞口两侧的边缘构件。3.2.5 剪力墙竖向和水平分布钢筋的配筋率，一、二、三级时均不应小于 0.25%;四级及非抗震时均不应小于 0.20%。3.2.6 剪力墙的竖向和水平分布钢筋的间距均不宜大于 300mm，直径不应小于 8mm。剪力墙的竖向和水平分布钢筋的直径不宜大于墙厚的 1/10。3.2.7 房屋顶层剪力墙、长矩形平面房屋的楼梯间和电梯间剪力墙、端开间纵向剪力墙以及端山墙的水平和竖向分布钢筋的配筋率均不应小于 0.25%,间距均不应大于 200mm。综上所述，我们设计人员均应从建筑的体型及平面功能要求合理选择适当的结构体系，并严格按照现行规范要求，设计出即经济又实用的结构。
