乔婷婷 闫 园
1 概述
框架—剪力墙(框剪结构)结构是在国内外比较常用的一种高层结构，广泛应用于办公楼和公共建筑，也多用于高层住宅和旅馆。其框架部分能构成自由灵活的使用空间，满足不同的建筑使用功能，而剪力墙部分具有足够大的刚度，在抗震和抗水平荷载方面有突出的贡献，大大减小了结构本身的侧移，因此在现代建筑中得到广泛的应用。
2 框剪结构体系
框剪结构是由剪力墙结构和框架结构混合组成的，就其组合而言，有两种结构体系，一种是剪力墙与框架之间通过楼盖屋盖连系，此时楼屋盖相当于一个刚性水平链杆，将同一层中的框架结构和剪力墙结构连系起来，在不计扭转影响的情况下强迫使这两种水平荷载下侧移变形性质截然不同的结构具有层层水平位移相同的侧移变形，此即为铰接框剪结构。另一种是剪力墙与框架之间除通过楼屋盖连系外，部分剪力墙与部分框架柱之间尚有具有一定抗弯刚度的连梁连系，使得结构具有更大的侧移刚度，这种结构体系称为刚接框剪结构。目前，工程中为满足刚度需求一般选用刚接框剪结构。
剪力墙结构的变形为弯曲型，上部层间相对变形大，下部层间相对变形小，随楼层的增加总侧移和层间侧移增长加快。框架结构的变形是剪切型，上部层间相对变形小，下部层间相对变形大，随楼层的增加，总侧移和层架侧移增加减慢。对于框剪结构，由于两种结构协同工作变形协调，形成了弯剪变形，剪力墙下部变形将增大，框架下部变形却减小了，这使得下部剪力墙担负更多剪力，而框架下部担负的剪力较小。在上部，情形正好相反，剪力墙变形减小，因而卸载，框架上部变形加大，担负的剪力将增大，因此，框架上部和下部所受的剪力趋于均匀化。从而减小了结构的层间相对位移比和顶点位移比，使结构的侧向刚度得到了提高。
3 剪力墙的布置原则
1)平面布置。
剪力墙结构中全部竖向荷载和水平力都由钢筋混凝土墙承受，所以剪力墙应沿平面主要轴线方向布置。
a.矩形、L形、T形平面时，剪力墙沿两个正交的主轴方向布置;
b.三角形及Y形平面可沿三个方向布置;
c.正多边形、圆形和弧形平面，则可沿径向及环向布置。
2)单片剪力墙的长度不宜过大。
a.长度很大的剪力墙，刚度很大将使结构的周期过短，地震力太大不经济;
b.剪力墙处于受弯工作状态时，才能有足够的延性，故剪力墙应当是高细的，如果剪力墙太长时，将形成低宽剪力墙，就会有受剪破坏，剪力墙呈脆性，不利于抗震。故同一轴线上的连续剪力墙过长时，应用楼板或小连梁分成若干个墙段，每个墙段的高宽比应不小于2。每个墙段可以是单片墙，小开口墙或联肢墙。每个墙肢的宽度不宜大于8.0 m，以保证墙肢是由受弯承载力控制，和充分发挥竖向分布筋的作用。内力计算时，墙段之间的楼板或弱连梁不考虑其作用，每个墙段作为一片独立剪力墙计算。
4 剪力墙数量的确定
剪力墙布置的多一点则刚度较大，框架布置的多则柔度大。根据历年的震害调查研究，随着剪力墙数量的增加震害减少。那究竟应该怎样合理布置剪力墙的数量。
1)根据平均压力即楼层以上重量除以楼层剪力墙和框架柱的截面面积，反应了层数、重量及结构截面面积的关系，根据经验，当平均压力小于1.2 MPa时震害小。
2)以剪力墙截面长度表示的剪力墙壁率(壁率=某一方向上剪力墙水平截面总长/建筑面积)。经验表明，当壁率大于5 cm/m2时震害最小，对抗震构造措施合理的取低值，反之取高值。
3)可以用框剪结构的刚度特征值λ(即框架抗推刚度和剪力墙抗弯刚度的比值)来计算确定剪力墙的数量，且计算结果比较精确。
其中，Cf=∑Cfi为总框架的剪切刚度，可由柱的抗侧刚度D值计算，Cfi=h∑Di;Cb=∑Cbi为连梁的附加等效剪切刚度;EIw=∑EIwi为总剪力墙的刚度。
λ值的变化，表示两种不同变形性质的结构的相对数量，对框架剪力墙的受力和变形性能影响很大，当框架抗推刚度很小时，λ值较小;λ=0时即纯剪力墙结构。当剪力墙抗弯刚度减小时，λ值增大;λ=∞时即相当于纯框架结构。
计算时取 EIw=H2(Cf+Cb)/λ2，此时 λ 取值宜为1.15≤λ≤2.4，下限值是为了使剪力墙刚度不致过大，上限值是为了满足剪力墙承受的地震力倾覆力矩不小于结构总地震倾覆力矩的50%，楼层剪力一般在0.5H～0.6H处最大，故假定0.5H～0.6H处楼层剪力墙的基本厚度bw和混凝土强度等级后，便可按下式进行初算每个方向上需要的剪力墙长度
其中系数ψ是考虑组合剪力墙(L形，[形，工形，口形)的综合刚度大于将其某向高度叠加而得到的一字形剪力墙刚度，而设置的折减系数;按翼缘宽为7bw的工形墙肢计算得到的腹板高度作为需要布置的墙肢总长度与按一字形计算得到的剪力墙长度比约为0.7 ～0.9，工程初步设计时可取 ψ =0.85。
4)可以用结构自振周期校核，截面尺寸，结构布置和剪力墙数量合理的框架剪力墙结构的结构自振周期大约可用公式T=(0.06～0.08)N 表示(N 为楼层数)。
5 工程实例
建立一个6层钢筋混凝土框剪结构模型，层高为1层4.5 m，2层～6层3.0 m;设防烈度为7度(0.10g)，Ⅱ类场地;轴网尺寸见图1;柱子 500×500;主梁 250×450，250×500;次梁 250×1000;连梁250×1000;混凝土C30;剪力墙250。
图1 某框剪结构平面图
根据剪力墙的布置原则以及用刚度特征值计算得出在结构周边均匀、对称的布置共12面剪力墙，其中3号剪力墙开洞1000 mm宽，用Midas软件分析。
得到结构周期如表1所示。
表1 结构自振周期
利用结构自振周期复核剪力墙的数量和布置，T=(0.06～0.08)N=0.36 s～0.48 s，第一模态周期为0.361703，说明剪力墙的布置是合理的。
6 结语
1)框架剪力墙结构在剪力墙和框架结构的协同作用下，侧移刚度得到了提高，使用功能和抗侧移能力都有了很大的改善。
2)剪力墙的布置要遵循相应的原则，在布置合理的前提下，剪力墙的数量可用平均应力或壁率进行初估并用结构特征值进行精确计算，最后用结构自振周期来复核。
[1]傅学怡.实用高层建筑结构设计[M].第2版.北京:中国建筑工业出版社，2010.
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