摘要：本文物理論文分析了框架-剪力墻結構的受力特點，結合具體的工程實例，分析了框架-剪力墻在設計方面的設計要求及注意事項。
　　關鍵詞：框架-剪力墻，協同作用
　　論文正文：
　　框架結構可以實現建筑的大空間功能要求，但是高度是受限的，剪力墻結構具有較好的抗震能力，可以實現建筑層數上的要求，但是剪力墻結構的布置對開間要求是比較嚴，所以為了充分發揮框架和剪力墻各自的優勢，框架-剪力墻結構應運而生。
　　框架-剪力墻結構是由框架和剪力墻兩種不同的抗側力結構組成，這兩種結構的受力特點和變形性質都不相同，框架在水平力作用下屬于剪切型變形的豎向空腹懸臂構件，而剪力墻在水平力作用下屬彎曲型變形的豎向懸臂構件，由于有剛性樓蓋將框架和剪力墻連接成一個整體，使框剪結構成為一個空間結構受力體系，其變形既非剪切型亦非彎曲型而是剪彎型。如下圖所示：
　　由上圖可以看出，在框架-剪力墻結構的下部樓層，剪力墻的位移較小，它拉著框架按彎曲型曲線變形，剪力墻承受大部分水平力；而在上部樓層則相反，剪力墻的位移越來越大，有外倒的趨勢，而框架則呈內收的趨勢，框架拉剪力墻按剪切型曲線變形，框架除了負擔外荷載產生的水平力外，還額外負擔了把剪力墻拉回來的附加水平力，剪力墻不但不承受荷載產生的水平力，還因為給框架了一個附加水平力而承受負剪力。所以，在上部樓層，即使外荷載產生的樓層剪力很小，框架也出現相當大的剪力。究竟剪力在框架和剪力墻之間是如何分配的呢？
　　我們知道，在一般剪力墻結構中，由于所有的抗側力結構都是剪力墻，側移曲線類似，所以水平力在各片剪力墻之間按其等效剛度EIeq的比例大小分配。而框架的工作特點類似于豎向懸臂剪切梁，其變形曲線為剪切型，樓層越高水平位移增長越慢，在純框架結構中，所有框架的變形曲線類似，所以水平力按各框架的抗推剛度D的比例大小分配。在框架-剪力墻結構體系中，由于有樓板和連梁的連接作用，使框架和剪力墻協同工作，有共同的變形曲線，因而在框架與剪力墻之間產生了相互作用的力，這些力自上而下并不是相等的，有時甚至會改變方向。在框架-剪力墻結構的設計中，一般在方案設計階段，框架的軸線尺寸已經有建筑要求確定，梁、柱截面尺寸也可按照框架結構的要求決定。結構要最后確定剪力墻布置的多少及位置分布。在框架-剪力墻結構中，剪力墻是抗震的第一道防線，而框架是抗震的第二道防線。一般，剪力墻的數量多，地震震害輕，多設剪力墻可以提高建筑物的抗震性能。但是，如果剪力墻的數量超過了實際需要，超過了合理數量，就會增加建筑物的造價，在經濟上是不合算的。剪力墻增多，結構的剛度也隨之增大，周期縮短，地震力也加大，不僅使上部結構內力增大，材料耗用量增大，而且也使基礎設計困難，基礎造價提高。而且，增加剪力墻后，框架負擔的水平力會有所減小，但是為了保證第二道防線充分發揮作用，它所采用的設計剪力Vf不能小于一定的限額，即使剪力墻再多，框架部分耗用的材料也并不能減少。一般在具體設計時，可以布置剪力墻使框架-剪力墻結構的樓層最大位移與層高H之比達到《建筑抗震設計規范》或《高層建筑混凝土結構技術規程》的規定（ΔU/H不小于1/800）。而且，應保證在規定的水平力作用下，結構底層框架部分承受的地震傾覆力矩與結構總地震傾覆力矩的比值滿足規范規定，當框架部分承受的地震傾覆力矩不大于結構總地震傾覆力矩的10%，框架不能跟剪力墻協同工作，所以應該按純剪力墻結構進行設計，其中的框架部分按框架-剪力墻的框架設計；當框架部分承受的地震傾覆力矩大于結構總地震傾覆力矩的10%但是又不大于50%時，二者按框架和剪力墻的理想協作關系發揮作用，按框架-剪力墻結構設計；當框架部分承受的地震傾覆力矩大于結構總地震傾覆力矩的50%但不大于80%時，說明結構中剪力墻數量偏少，框架承擔較大的地震作用，此時框架部分的抗震等級和軸壓比限值宜按框架結構的規定采用，剪力墻部分的抗震等級和軸壓比按框架-剪力墻結構規定采用，但其最大適用高度不宜再按框架-剪力墻結構的要求執行，可比框架結構的要求適當增加；當框架部分承受的地震傾覆力矩大于結構總地震傾覆力矩的80%時，意味著結構中剪力墻數量極少，此時框架部分的抗震等級和軸壓比限值應按框架結構的規定執行，剪力墻部分抗震等級和軸壓比按可按框架-剪力墻結構的規定采用，但其最大適用高度宜按框架結構采用，這種少墻框剪結構抗震性能較差，不主張采用，當結構的層間位移角不能滿足框架-剪力墻結構的規定時，可按高規第3.11節有關規定進行結構抗震性能分析和論證。那么，剪力墻具體又該怎么布置呢？
　　框架-剪力墻結構中的剪力墻是抗震抗風的主要結構，應沿各主要軸線方向布置，在矩形、L型和槽型平面中，剪力墻應沿兩個正交方向布置。一般情況，剪力墻應在縱橫兩個方向同時布置，并使兩個方向的自振周期比較接近。布置原則是“均勻、分散、對稱、周邊”，均勻、分散是要求剪力墻的片數多，每片的剛度不要太大，《高規》規定，單片剪力墻底部承擔的水平剪力不應超過結構底部總水平剪力的30%，因為片數太少，地震中萬一個別剪力墻破壞后，剩下的墻再也無法承受全部地震力，局部損壞會導致全局性的影響，而且，地震力集中到一兩片墻上，墻受得內力太大，截面實際困難（尤其是連梁），相應地基礎承受過大的剪力和傾覆力矩，尤為難以處理。對稱、周邊布置是對高層建筑抵扭轉的要求，剪力墻的剛度大，他的位置對樓層平面剛度分布起決定性的作用，剪力墻對稱布置，就能基本能上保證建筑物的對稱性，是水平力能從剛度合力點通過，避免和減小建筑物受到的扭轉。另一方面，剪力墻沿建筑平面的周邊布置可以最大限度地加大抗扭轉的內力臂，提高整個結構的抗扭能力。剪力墻的間距太大，僅僅通過剛性樓板連接的框架和剪力墻的協同作用就不能充分發揮，所以一般剪力墻的間距不宜過大。剪力墻是結構的主要抗側力構件，其剛度貢獻至關重要，所以一般剪力墻宜貫通建筑物的全高，避免剛度突變，開洞時，洞口宜上下對齊。具體可以布置在以下部位：1.豎向荷載較大處，此處主要考慮：剪力墻可以承受較大的豎向荷載，避免了設置尺寸過大的柱子，滿足建筑布置的要求；剪力墻是主要抗側力結構，承受很大的彎矩和剪力，需要較大的豎向荷載來避免出現軸向拉力，（規范也明確規定，抗震設計的雙肢墻，其墻肢不宜出現小偏心受拉）提高截面承載力，也便于基礎設計。2.平面形狀變化處，此處容易在樓面上產生大的應力集中，地震時也常常發生震害，設置剪力墻予以加強是很有必要的。3.樓梯間和電梯間，特別是在端部和凹角處設置樓電梯時，受力更為不利，采用樓電梯豎井來加強是有效的措施。當平面有較長的外伸時，宜在外伸段的適當部位設置剪力墻，以減少外伸段的無支承點的懸臂長度。
　　整體布置上，剪力墻宜成組布置，縱橫向剪力墻宜合并布置為L形、T形和口字形，以使縱墻可以作為橫墻的翼緣，橫墻也可以作為縱墻的翼緣，從而提高其強度和剛度。同時剪力墻的長度也應當適當。為了保證剪力墻具有足夠的延性，不發生脆性的剪切破壞，每一道剪力墻（包括單片墻、小開口墻和聯肢墻）不應過長，總高度和總長度之比H/L宜大于2，連成一片的當個墻肢長度不宜大于8m，以免因剪切而破壞。而且，墻肢多長，中間部分的鋼筋還未屈服，端部鋼筋早就因變性過大而斷開，致使許多豎向分布鋼筋難以發揮作用。設置剪力墻后，端部的框架柱應予以保留，柱作為剪力墻的端部翼墻，剪力墻的端部鋼筋配置在柱截面內，短柱加強剪力墻的承載了和穩定性，使剪力墻的延性大大提高。位于樓層上的框架梁也應保留，因為其作為剪力墻的橫向加勁肋，可以提高剪力墻的極限承載力。同時，剪力墻宜設在框架梁柱軸線平面內，保持對中，如果剪力墻因建筑要求需要設在柱邊，應加強柱的箍筋以抵抗扭轉的影響。以下為幾個框架-剪力墻結構的設計實例：
　　某醫院，地下一層，地上十四層，設計時采用的是框架-剪力墻結構體系，最初只是在樓電梯位置布置了幾片剪力墻，結構由于結構嚴重不規則，第一周期就出現扭轉，后來經過多輪的試算。
　　某國稅局主樓10層，如果采用純框架設計抗震措施造價比較大，而且抗震性能也不是很好，最終采用了框架-剪力墻結構體系，布置剪力墻的時候也是試了很多次，最終選定的剪力墻布置如下圖所示，既可以滿足結構整體的抗震、周期、位移要求，又可以保證建筑造價經濟。
　　綜上論文，框架-剪力墻結構從建筑上來看，可以滿足建筑的大空間要求，從結構上來講，如果設計合理，可以充分發揮框架和剪力墻兩種不同結構形式的受力優勢，大大提高建筑物的抗震性能，而且還可以節約造價，可以說是一舉多得。以上是本人設計的一點經驗總結，由于水平有限，不足之處請各位同仁多加指教。
　　參考文獻：
　　1.《建筑抗震設計規范》GB50011-2010
　　2.《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010
　　3.《高層結構設計》趙西安編著中國建筑科學研究院