淺析框架結(jié)構(gòu)與框架剪力墻結(jié)構(gòu)

1、 淺析框架結(jié)構(gòu)與框架剪力墻結(jié)構(gòu)摘要：現(xiàn)如今，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用較多的是框架剪力墻結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)由鋼筋混凝土框架和鋼筋混凝土剪力墻兩部分組成。與框架結(jié)構(gòu)相比，框架剪力墻結(jié)構(gòu)有著很大的優(yōu)越性，本文作者對(duì)兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較分析。關(guān)鍵詞：框架結(jié)構(gòu)；框剪結(jié)構(gòu)前言高層建筑的結(jié)構(gòu)選型主要是選擇合理的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系，常見的高層建筑結(jié)構(gòu)體系有：框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)（框剪結(jié)構(gòu)）、筒體結(jié)構(gòu)等，不同的結(jié)構(gòu)體系均有其相應(yīng)的適用范圍和最大適用高度?？v觀各種建筑結(jié)構(gòu)體系，框架結(jié)構(gòu)體系柱網(wǎng)布置靈活，可獲得較大的使用空間，但由于其側(cè)向剛度較小，水平側(cè)移大，用于較高的建筑時(shí)，需要截面較大的梁、柱構(gòu)件才能滿足

2、規(guī)范變形限值的要求，而大截面的構(gòu)件減小了有效使用空間，使其使用范圍受到了限制；剪力墻結(jié)構(gòu)體系其側(cè)向剛度大，水平側(cè)移小，但由于剪力墻的間距小，平面布置不靈活，建筑空間受到限制，同時(shí)由于自重大，剛度大，使剪力墻結(jié)構(gòu)的基本周期短，地震慣性力較大，因此高度很大的剪力墻結(jié)構(gòu)并不經(jīng)濟(jì)；而框剪結(jié)構(gòu)綜合了框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)兩者的優(yōu)點(diǎn)，使其既能靈活布置大空間與小空間房屋，又具有較大的側(cè)向剛度，且經(jīng)合理設(shè)計(jì)的框剪結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性好，在高層建筑中得到了廣泛的應(yīng)用并通常作為首選。對(duì)于抗震設(shè)防的建筑來說，框剪結(jié)構(gòu)具有兩道抗震防線，比單一框架結(jié)構(gòu)有很大的優(yōu)越性。一、從框架結(jié)構(gòu)與框剪結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)比較1.1框架結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)框

3、架結(jié)構(gòu)是由柱子和梁通過剛接或鉸接相連接而構(gòu)成承重體系的結(jié)構(gòu)，即由柱子和梁組成框架，共同抵抗使用過程中出現(xiàn)的水平荷載和豎向荷載?？蚣芙Y(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的受力變形特點(diǎn)：其側(cè)移由兩部分組成：第一部分側(cè)移由柱和梁的彎曲變形產(chǎn)生。柱和梁都有反彎點(diǎn)，形成側(cè)向變形?？蚣芟虏康牧?、柱內(nèi)力大，層間變形也大，愈到上部層間變形愈小。第二部分側(cè)移由柱的軸向變形產(chǎn)生。在水平力作用下，柱的拉伸和壓縮使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)側(cè)移。這種側(cè)移在上部各層較大，愈到底部層間變形愈小。在兩部分側(cè)移中第一部分側(cè)移是主要的，隨著建筑高度加大，第二部分變形比例逐漸加大。結(jié)構(gòu)過大的側(cè)向變形不僅會(huì)使人不舒服，影響使用；會(huì)使填充墻或建筑裝修出現(xiàn)裂縫或損壞；

4、還會(huì)使主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫、損壞、甚至倒塌。因此，高層建筑不僅需要較大的承載力，而且需要較大的剛度（抗側(cè)剛度），以使其結(jié)構(gòu)層間側(cè)移和頂層總側(cè)移控制在容許的范圍內(nèi)?？蚣芸箓?cè)剛度主要取決于梁、柱的截面尺寸。通常梁柱截面慣性矩小，側(cè)向變形較大，所以稱框架結(jié)構(gòu)為柔性結(jié)構(gòu)。雖然通過合理設(shè)計(jì)，可以使鋼筋混凝土框架獲得良好的延性，但由于框架結(jié)構(gòu)層間變形較大，在地震區(qū)，高層框架結(jié)構(gòu)容易引起非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞。這是框架結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)，也因此而限制了框架結(jié)構(gòu)的使用高度。1.2框剪結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)在框架結(jié)構(gòu)中加設(shè)適量的剪力墻，二者通過樓蓋協(xié)同工作，以滿足建筑物的抗側(cè)要求，從而組成框剪結(jié)構(gòu)體系。在框架中局部增加剪力墻可以在對(duì)

5、建筑物的使用功能影響不大的情況下，使結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和承載力都有明顯提高，所以這種結(jié)構(gòu)體系兼有框架和剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，是一種適用性很廣的結(jié)構(gòu)形式。剪力墻的側(cè)移剛度遠(yuǎn)大于框架，因此剪力墻分配到的剪力也將遠(yuǎn)大于框架。由于上述變形的協(xié)調(diào)作用，框架和剪力墻的荷載和剪力分布沿高度在不斷調(diào)整。框架結(jié)構(gòu)在水平力作用下，框架與剪力墻之間樓層剪力的分配比例和框架各樓層剪力分布情況隨著樓層所處高度而變化，與結(jié)構(gòu)剛度特征值直接相關(guān)?？蚣艚Y(jié)構(gòu)中的框架底部剪力為零，剪力控制部位在房屋高度的中部甚至在上部，而純框架最大剪力在底部?？蚣艚Y(jié)構(gòu)在水平荷載作用下，框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形曲線以剪切型為主，而剪力墻的變形則以彎曲型為主。由

6、于兩者是受力性能不同的兩種結(jié)構(gòu)，因而兩者之間需要通過樓板的協(xié)同工作。由于樓板平面內(nèi)剛度很大（計(jì)算中假定為無限剛性），因此在同一樓板處必有相同的位移，這就形成了框架剪力墻結(jié)構(gòu)特有的變形曲線，呈反s形的彎剪型變形曲線?？蚣芟虏课灰圃鲩L迅速，上部增長較慢，剪力墻則與之相反。在框架剪力墻結(jié)構(gòu)下部，側(cè)移較小的剪力墻對(duì)框架提供幫助，墻把框架向左邊拉，框架剪力墻的側(cè)移比框架單獨(dú)側(cè)移小，比剪力墻單獨(dú)側(cè)移大；而上部，框架又可以對(duì)剪力墻提供支持，即框架把墻向左邊推，其側(cè)移比框架單獨(dú)側(cè)移大，比剪力墻單獨(dú)側(cè)移小。最終框架剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)移大大減小，且使框架和剪力墻中內(nèi)力分布更趨合理。二、從框架結(jié)構(gòu)與框剪結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)布置比

7、較2.1框架結(jié)構(gòu)的布置框架結(jié)構(gòu)按承重框架布置方向分為三種：（1）主要承重框架橫向布置。該種布置的特點(diǎn)是橫向梁為主梁，縱向梁為次梁（連系梁），它的優(yōu)點(diǎn)是承重框架橫向布置可有效提高縱房屋橫向的抗側(cè)力強(qiáng)度和剛度，有利于立面處理和室內(nèi)采光。（2）主要承重框架縱向布置。特點(diǎn)是縱向梁為主梁，橫向梁為次梁（連系梁），其優(yōu)點(diǎn)是有利于樓層凈高的有效利用，房屋的使用劃分比較靈活，但是橫向剛度很差，適用層數(shù)不多的無抗震要求的廠房。（3）主要承重框架縱橫兩向布置。該種布置可集以上兩種布置的優(yōu)點(diǎn)，既有利于提高房屋的橫向抗側(cè)力強(qiáng)度和剛度，又有利于樓層凈高的有效利用?？傮w來說，框架結(jié)構(gòu)的布置應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則：（1）結(jié)構(gòu)平

8、面形狀和立面體型宜簡單、規(guī)則，使各部分剛度均勻?qū)ΨQ，減少結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的可能性。（2）控制結(jié)構(gòu)高寬比，以減少水平荷載下的側(cè)移，其高寬比限值見規(guī)范。（3）盡量統(tǒng)一柱網(wǎng)及層高，以減少構(gòu)件種類規(guī)格，簡化設(shè)計(jì)及施工。（4）房屋的總長度宜控制在最大溫度伸縮縫間距內(nèi)，當(dāng)房屋長度超過規(guī)定值時(shí)，可設(shè)伸縮縫將房屋分成若干溫度區(qū)段。2.2框剪結(jié)構(gòu)的布置采用這種結(jié)構(gòu)體系時(shí)應(yīng)在兩個(gè)主軸方向均布置剪力墻，形成雙向抗側(cè)力體系。如果僅在一個(gè)主軸方向布置剪力墻，將會(huì)造成兩個(gè)主軸方向的抗側(cè)剛度懸殊，無剪力墻的方向剛度不足且?guī)в屑兛蚣艿男再|(zhì)，與布置剪力墻的另一向不協(xié)調(diào)，也容易造成結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)。作為第一道抗震防線的剪力墻決定了結(jié)構(gòu)剛度

9、，因此對(duì)框剪結(jié)構(gòu)來說要保證其合理的設(shè)計(jì)（承載力、延性、經(jīng)濟(jì)性等），主要是控制其中剪力墻的合理布置位置和數(shù)量。2.2.1剪力墻平面布置剪力墻的布置一般原則是均勻、分散、對(duì)稱、周邊及均勻。分散原則是要求剪力墻片數(shù)不要太少，而且每片剪力墻剛度不要太大，連續(xù)尺寸不要太長，使抗側(cè)力構(gòu)件數(shù)量多一些，分散一些，每片剪力墻的彎曲剛度適中，在使用中不會(huì)因?yàn)閭€(gè)別墻的局部破壞而影響整體的抗側(cè)力性能，也不會(huì)使個(gè)別墻的受力太集中，負(fù)擔(dān)過重而引起過早的破壞。剛度過大的墻承擔(dān)的內(nèi)力也大，相應(yīng)的基礎(chǔ)處理難度增加，同時(shí)也考慮到剪力墻相距太遠(yuǎn)，樓面剛度要求大，很難滿足要求，周邊的原則是考慮建筑物抵抗扭轉(zhuǎn)能力，便于保證剛度中心與平

10、面中心相吻合；剪力墻布置在周邊對(duì)稱位置，增加抵抗扭轉(zhuǎn)的內(nèi)力臂，在不增加剪力墻面積的情況下，提高抗扭轉(zhuǎn)能力。剪力墻布置的位置應(yīng)設(shè)在平面形狀變化處，即：角隅、端角、凹角。這些部位往往是應(yīng)力集中處，設(shè)置剪力墻給予加強(qiáng)是很有必要的；高層建筑的樓梯間、電梯間、管道井處等的樓面開洞嚴(yán)重地削弱樓板剛度，對(duì)保證框架與剪力墻協(xié)同工作極為不利。因此，在工程設(shè)計(jì)中用剪力墻來加強(qiáng)這些薄弱端部，如樓梯間、電梯井道處、豎向管道井設(shè)計(jì)加強(qiáng)的鋼筋混凝土墻是十分有效的。剪力墻的間距原則上是建筑物愈高、抗震設(shè)防烈度愈高，間距取值愈小。剪力墻應(yīng)沿建筑物全高設(shè)置，不得沿高度有突變，剪力墻應(yīng)落地，剪力墻并應(yīng)在兩個(gè)主軸方向組合部署成l形

11、、t形或形成封閉的筒，這樣可以提高剪力墻自身的剛度。且一片剪力墻的長度不宜大于8 m，當(dāng)超過時(shí)，應(yīng)利用洞口分割成兩片墻，功能上不需要洞時(shí)，洞口可用不同的材料或輕質(zhì)材料填充，過長的剪力墻中央部分的鋼筋尚未到達(dá)屈服階段，墻端部的鋼筋早因變形過大而斷開破壞。2.2剪力墻合理數(shù)量的確定剪力墻的合理數(shù)量由允許位移比決定，按高層建筑規(guī)范中位移比為結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移與高之比。u/h不宜大于1/800，裝修要求較高時(shí)，u/h不宜超過1/850，在滿足這個(gè)要求的前提下增減剪力墻的數(shù)量。剪力墻數(shù)量多，框架剪力墻結(jié)構(gòu)剛度就大一些，地震時(shí)周期短地震力也加大一些，材料耗量增大。日本震害調(diào)查表明：當(dāng)每平方米樓面平均剪力墻長度少于50 mm長時(shí)，震害嚴(yán)重；在50150 mm 之間時(shí)，震害中等；長150 mm 以上，震害輕微。目前我國尚無這方面的成熟經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)中可根據(jù)工程具體情況、建筑物高度、地區(qū)設(shè)防烈度及參考上面方法取值。三、結(jié)論通過上文比較可看出，框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系獲得了更大的剛度，抗震性能也更為優(yōu)越。且框架剪力墻結(jié)構(gòu)混凝土使用量和純框架結(jié)構(gòu)體系大致相同，但鋼筋用量節(jié)省很多，僅豎向受力構(gòu)件的配筋量就比純