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摘要:本文阐述了高层公共建筑采用框剪结构的好处,同时结合工程实例,分析了采用框架剪力墙结构的合理性和优越性。
关键词:框架剪力墙结构;结构设计;水平荷载
近年来国内公共建筑越建越高,而且因为使用功能的不确定和便于建成后商家出售和租赁,所以基本上都做成大空间,若采用框架结构,水平位移太大,而采用剪力墙结构,又使得使用空间太零散,不能很好的满足各种使用功能,故采取两者的综合体——框架剪力墙结构,为建筑设计及使用功能带来灵活性和方便性。事实上，我们已经在很多实际工程中，看到框架剪力墙结构越来越广泛的应用。
框架-剪力墙结构也称框剪结构,这种结构是在框架结构中布置一定数量的剪力墙,构成灵活自由的使用空间,满足不同建筑功能的要求,同样又有足够的剪力墙,有较大的抗侧刚度。两种结构的组成，不仅同时发挥了两者的优点和克服其缺点，且两种结构形成两道抗震防线，对结构抗震也有利。
1框剪结构概述
1)框架剪力墙结构
此种结构也称框剪结构,它的框架不同于纯框架结构中的框架,剪力墙在框剪结构中也不同于剪力墙结构中的剪力墙。因为在下部楼层剪力墙的位移较小,它拉着框架按弯曲型曲线变形,剪力墙承受大部分水平力;上部楼层则相反,剪力墙位移越来越大,有外侧的趋势,而框架则有内收的趋势,框架拉剪力墙按剪切型曲线变形。框架除了负担外荷载产生的水平力外,还额外负担了把剪力拉回来的附加水平力,剪力墙不但不承受荷载产生的水平力,还因为给框架一个附加水平力而承受负剪力,所以,上部楼层即使外荷载产生的楼层剪力很小,框架中也出现相当大的剪力。
2)框剪结构的优越性及注意事项
框剪结构结合了框架结构和剪力墙结构的优点,适用于大于11层的小高层住宅,既有灵活的空间格局,又有抵抗水平荷载的能力。造价仅高于框架结构,又比剪力墙结构经济。
但同时,框剪结构中的框架往往只承受并传递竖向荷载,而水平荷载及地震作用主要由剪力墙承担,故结构设计中应当注重结构布置中的框架和剪力墙的布置比例及剪力墙的布置位置,使得结构达到最合理状态。
2工程实例
1)工程概况
某工程位于广东某高科技园区,11層办公建筑,底层层高5.4 m,2~11层层高4.2 m。下有一层地下室(与其他几幢房子形成一个大地下室)。设有两部电梯,其中一部为消防电梯。根据《建筑抗震设计规范》(GB50011 2010)抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.10 g。
2)结构选型
建筑总高度达到46.6 m以上,风荷载比较大,综合造价问题和抗震问题,采用框架剪力墙结构。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）4.8.2框架剪力墙结构在总高度小于60 m时,框架抗震等级为3级,剪力墙抗震等级为2级柱网剪力墙布置见图1。中间位置是楼梯和电梯部位,电梯楼梯部位设置剪力墙,因为X方向比Y方向要长,故在X方向的端部也设置剪力墙,最右边的剪力墙不能和左边的剪力墙设置在对称位置,因下部地下室为车流通道,不能设置,上部为主出入口,也不能设置,所以设置与中间跨。由于中间跨为楼梯间,设置于端部,此剪力墙又不能传递结构的水平侧向力,故设置于楼梯间内侧。这样满足了框架剪力墙结构中剪力墙的布置均按照均匀、对称、分散、周边的布置原则。
图1柱网剪力墙布置图
3)设计计算结果
(1)倾覆弯矩。框剪结构体系的受力特点:框剪结构,是由框架和剪力墙2种不同的抗侧力结构组成的均匀受力体系,框架和剪力之墙间的协调工作,使房屋各层变形趋于均匀。《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)第8.1.3条规定,框剪结构中框架柱地震倾覆力矩百分比大于50%,框架部分的抗震等级应按框架结构采用。说明了框剪结构体系中剪力墙承受主要水平荷载,而框架则以担负竖向荷载为主。若框架部分承受了大于50%的倾覆力矩,证明剪力墙布置的数量太少,不能起到作用,这样的结构形式就相当于纯框架结构。本工程的倾覆弯矩比建见表1。
框架部分承受的倾覆力矩均小于50%,证明剪力墙布置的数量比较合理,达到了框架和剪力墙共同作用的特点。
(2)周期、地震力与振型输出文件。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)中第4.3.5条要求的结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比,A类高度高层建筑不应大于0.9”在设计中,扭转为主的第1自振周期(振型3)1.0920,平动为主的第1自振周期(振型1)1.3935。二者之比为0.7836,满足规范要求。
(3)根据抗震规范5.2.5条要求的x方向和y方向楼层最小剪重比为1.60%,本工程数据中,各层X方向的作用力(CQC),第1层的剪重比最小,为4.10%,有效质量系数:99.50%,满足规范要求。各层Y方向的作用力(OQC),第1层的剪重比最小,为4.14%,y方向的有效质量系数:99.91%,满足规范要求。
(4)位移文件。抗震设计是根据抗震设防3个水准的要求,采用二阶段设计方法来实现的。要求在多遇地震作用下主体结构不受损坏,填充墙及隔墙没有过重破坏,保证建筑的正常使用功能;在罕遇地震作用下,主体结构遭受破坏或严重破坏但不倒塌。<高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)第4.6.3规定框架剪力墙结构弹性位移角限值为1/800,第4.6.5规定框架剪力墙结构层间弹塑性位移角限制为1/100。该项目用PKPM中的SAT WE计算,得到弹性位移角最大处于第6层,位移角见表2。
弹塑性层间位移角在SATWE中不能直接计算出来,多遇地震影响系数最大值为0.08,罕遇地震影响系数最大值为0.5,即得罕遇地震与多遇地震的影响系数比值为6.25(0.5/0.08),根据上表能简化得出最大的弹塑性层间位移角见表3。
由此可以看出该项目能满足抗震要求。
3结束语
从上例可看出，框架剪力墙结构体系获得了更大的刚度,抗震性能也更为优越，可利用空间也大，结构布置上更加合理。因此，对于既要大空间,高度又比较高的公共建筑来说,合理布置了剪力墙的框剪结构体系会是一个较佳的选择。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词:框架剪力墙结构;结构设计;水平荷载
近年来国内公共建筑越建越高,而且因为使用功能的不确定和便于建成后商家出售和租赁,所以基本上都做成大空间,若采用框架结构,水平位移太大,而采用剪力墙结构,又使得使用空间太零散,不能很好的满足各种使用功能,故采取两者的综合体——框架剪力墙结构,为建筑设计及使用功能带来灵活性和方便性。事实上，我们已经在很多实际工程中，看到框架剪力墙结构越来越广泛的应用。
框架-剪力墙结构也称框剪结构,这种结构是在框架结构中布置一定数量的剪力墙,构成灵活自由的使用空间,满足不同建筑功能的要求,同样又有足够的剪力墙,有较大的抗侧刚度。两种结构的组成，不仅同时发挥了两者的优点和克服其缺点，且两种结构形成两道抗震防线，对结构抗震也有利。
1框剪结构概述
1)框架剪力墙结构
此种结构也称框剪结构,它的框架不同于纯框架结构中的框架,剪力墙在框剪结构中也不同于剪力墙结构中的剪力墙。因为在下部楼层剪力墙的位移较小,它拉着框架按弯曲型曲线变形,剪力墙承受大部分水平力;上部楼层则相反,剪力墙位移越来越大,有外侧的趋势,而框架则有内收的趋势,框架拉剪力墙按剪切型曲线变形。框架除了负担外荷载产生的水平力外,还额外负担了把剪力拉回来的附加水平力,剪力墙不但不承受荷载产生的水平力,还因为给框架一个附加水平力而承受负剪力,所以,上部楼层即使外荷载产生的楼层剪力很小,框架中也出现相当大的剪力。
2)框剪结构的优越性及注意事项
框剪结构结合了框架结构和剪力墙结构的优点,适用于大于11层的小高层住宅,既有灵活的空间格局,又有抵抗水平荷载的能力。造价仅高于框架结构,又比剪力墙结构经济。
但同时,框剪结构中的框架往往只承受并传递竖向荷载,而水平荷载及地震作用主要由剪力墙承担,故结构设计中应当注重结构布置中的框架和剪力墙的布置比例及剪力墙的布置位置,使得结构达到最合理状态。
2工程实例
1)工程概况
某工程位于广东某高科技园区,11層办公建筑,底层层高5.4 m,2~11层层高4.2 m。下有一层地下室(与其他几幢房子形成一个大地下室)。设有两部电梯,其中一部为消防电梯。根据《建筑抗震设计规范》(GB50011 2010)抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.10 g。
2)结构选型
建筑总高度达到46.6 m以上,风荷载比较大,综合造价问题和抗震问题,采用框架剪力墙结构。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）4.8.2框架剪力墙结构在总高度小于60 m时,框架抗震等级为3级,剪力墙抗震等级为2级柱网剪力墙布置见图1。中间位置是楼梯和电梯部位,电梯楼梯部位设置剪力墙,因为X方向比Y方向要长,故在X方向的端部也设置剪力墙,最右边的剪力墙不能和左边的剪力墙设置在对称位置,因下部地下室为车流通道,不能设置,上部为主出入口,也不能设置,所以设置与中间跨。由于中间跨为楼梯间,设置于端部,此剪力墙又不能传递结构的水平侧向力,故设置于楼梯间内侧。这样满足了框架剪力墙结构中剪力墙的布置均按照均匀、对称、分散、周边的布置原则。
图1柱网剪力墙布置图
3)设计计算结果
(1)倾覆弯矩。框剪结构体系的受力特点:框剪结构,是由框架和剪力墙2种不同的抗侧力结构组成的均匀受力体系,框架和剪力之墙间的协调工作,使房屋各层变形趋于均匀。《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)第8.1.3条规定,框剪结构中框架柱地震倾覆力矩百分比大于50%,框架部分的抗震等级应按框架结构采用。说明了框剪结构体系中剪力墙承受主要水平荷载,而框架则以担负竖向荷载为主。若框架部分承受了大于50%的倾覆力矩,证明剪力墙布置的数量太少,不能起到作用,这样的结构形式就相当于纯框架结构。本工程的倾覆弯矩比建见表1。
框架部分承受的倾覆力矩均小于50%,证明剪力墙布置的数量比较合理,达到了框架和剪力墙共同作用的特点。
(2)周期、地震力与振型输出文件。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)中第4.3.5条要求的结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比,A类高度高层建筑不应大于0.9”在设计中,扭转为主的第1自振周期(振型3)1.0920,平动为主的第1自振周期(振型1)1.3935。二者之比为0.7836,满足规范要求。
(3)根据抗震规范5.2.5条要求的x方向和y方向楼层最小剪重比为1.60%,本工程数据中,各层X方向的作用力(CQC),第1层的剪重比最小,为4.10%,有效质量系数:99.50%,满足规范要求。各层Y方向的作用力(OQC),第1层的剪重比最小,为4.14%,y方向的有效质量系数:99.91%,满足规范要求。
(4)位移文件。抗震设计是根据抗震设防3个水准的要求,采用二阶段设计方法来实现的。要求在多遇地震作用下主体结构不受损坏,填充墙及隔墙没有过重破坏,保证建筑的正常使用功能;在罕遇地震作用下,主体结构遭受破坏或严重破坏但不倒塌。<高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)第4.6.3规定框架剪力墙结构弹性位移角限值为1/800,第4.6.5规定框架剪力墙结构层间弹塑性位移角限制为1/100。该项目用PKPM中的SAT WE计算,得到弹性位移角最大处于第6层,位移角见表2。
弹塑性层间位移角在SATWE中不能直接计算出来,多遇地震影响系数最大值为0.08,罕遇地震影响系数最大值为0.5,即得罕遇地震与多遇地震的影响系数比值为6.25(0.5/0.08),根据上表能简化得出最大的弹塑性层间位移角见表3。
由此可以看出该项目能满足抗震要求。
3结束语
从上例可看出，框架剪力墙结构体系获得了更大的刚度,抗震性能也更为优越，可利用空间也大，结构布置上更加合理。因此，对于既要大空间,高度又比较高的公共建筑来说,合理布置了剪力墙的框剪结构体系会是一个较佳的选择。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。