浅议框架---剪力墙结构设计
关键词：结构设计;剪力墙;框架;方案;计算
一、框架―剪力墙结构的变形及受力特点
在框架结构中加设适量的剪力墙，二者通过楼盖协同工作，以满足建筑物的抗侧要求，从而组成框架―剪力墙结构体系。在框架中局部增加剪力墙可以在对建筑物的使用功能影响不大的情况下，使结构的抗侧刚度和承载力都有明显提高，所以这种结构体系兼有框架和剪力墙结构的优点，是一种适用性很广的结构形式。
剪力墙的侧移刚度远大于框架，因此剪力墙分配到的剪力也将远大于框架。由于上述变形的协调作用，框架和剪力墙的荷载和剪力分布沿高度在不断调整。框架结构在水平力作用下，框架与剪力墙之间楼层剪力的分配比例和框架各楼层剪力分布情况随着楼层所处高度而变化，与结构刚度特征值λ直接相关。框剪结构中的框架底部剪力为零，剪力控制部位在房屋高度的中部甚至在上部，而纯框架最大剪力在底部。因此，当实际布置有剪力墙(如：楼梯间墙、电梯井道墙、设备管道井墙等)的框架结构，必须按框架结构协同工作计算内力，不应简单按纯框架分析，否则不能保证框架部分上部楼层构件的安全。
二、框架-剪力墙结构中剪力墙的布置
剪力墙的布置一般原则是均匀、分散、对称,分散原则是要求剪力墙片数不要太少,而且每片剪力墙刚度不要太大,连续尺寸不要太长,使抗侧力构件数量多一些,分散一些,每片剪力墙的弯曲刚度适中,在使用中不会因为个别墙的局部破坏而影响整体的抗侧力性能,也不会使个别墙的受力太集中,负担过重而引起过早的破坏,刚度过大的墙承担的内力也大,相应的基础处理难度增加,同时也考虑到剪力墙相距太远,楼面刚度要求大,很难满足要求,周边的原则是考虑建筑物抵抗扭转能力,便于保证刚度中心与平面中心相吻合。
剪力墙布置在周边对称位置,增加抵抗扭转的内力臂,在不增加剪力墙面积的情况下,提高抗扭转能力，剪力墙布置的位置应设在平面形状变化处,即:角隅、端角、凹角，这些部位往往是应力集中处,设置剪力墙给予加强是很有必要的；高层建筑的楼梯间、电梯间、管道井处等的楼面开洞严重地削弱楼板刚度,对保证框架与剪力墙协同工作极为不利。
因此,在工程设计中用剪力墙来加强这些薄弱端部,如楼梯间、电梯井道处、竖向管道井设计加强的钢筋混凝土墙是十分有效的,剪力墙的间距:现浇钢筋混凝土楼盖L/B=2～4为宜；装配整体式钢筋混凝土楼盖L/B=1～2.5为宜，原则是建筑物愈高、抗震设防烈度愈高,间距取值愈小,剪力墙应沿建筑物全高设置,不得沿高度有突变,剪力墙应落地,剪力墙并应在两个主轴方向组合部署成L形、T形或形成封闭的筒,这样可以提高剪力墙自身的刚度，且一片剪力墙的长度不宜大于8m,当超过时,应利用洞口分割成两片墙,功能上不需要洞时,洞口可用不同的材料或轻质材料填充,过长的剪力墙中央部分的钢筋尚未到达屈服阶段,墙端部的钢筋早因变形过大而断开破坏、工程具体情况、建筑物高度、地区设防烈度及参考上面方法取值。
三、框架-剪力墙结构方案的确定
1框架-剪力墙结构方案选型
对于有抗震设防的框架-剪力墙结构,正确而合理的设计方案其首要任务必须满足抗震设防的要求,在场地地基、建筑体型、结构体系的质量、刚度分布、构件强度、延性等方面要慎重考虑，例如图1中的平面,剪力墙偏于上方刚度明显不对称,偏心大抗扭转能力差,剪力墙集中而不分散,周边四角没有剪力墙,这种平面使结构的刚度中心与平面形心相差较远,抗水平力、抗扭转、抗地震能力差,在地震力作用下,使四角柱承受很大的地震力与扭转产生的效应,这将成为工程设计中框架-剪力墙结构中,剪力墙是框架剪力墙结构体系中抗震设防的第一道防线,框架主要承受垂直力,在两片单肢剪力墙间的连梁其受力是相当复杂的。
2框架-剪力墙结构设计
框架-剪力墙结构具有较好的延性和耗能能力,是一种较为理想的抗震结构型式，对于框架-剪力墙结构,合理设计框架、剪力墙以及连梁,对框架剪力墙结构抗震能力是非常重要的,钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程(JGJ3-91)考虑了框架-剪力墙结构中剪力墙开裂后刚度降低,使框架承受的水平荷载大于弹性分析结果,则规定框架承受水平剪力不小于0.2V01框架-剪力墙结构进入弹塑性阶段后,剪力墙上部弯矩增大,下部弯矩减小,反弯点位置下移,剪力墙担负的剪力上、下部变化较大,中部变化较小,但是剪力墙设计控制内力变化不大,框架-剪力墙结构屈服以后,结构的刚度特征值λ将改变,框架的最大剪力层转移,如果屈服顺序依次为剪力墙→框架梁→框架柱,则λ值增大,框架的最大剪力层下移；如果是框架梁先屈服,则λ值降低,最大剪力层上移,框架-剪力墙结构抗震设计中,应尽可能设置抵抗地震的多道防线,一般情况下,剪力墙作为第一道防线首先屈服,将框架设计作为第二道防线。
因此,要充分认识到框架在剪力墙屈服后增加的荷载效应,让框架柱承担竖向荷载的构件有充分的安全储备,并且针对第二道防线，框架结构作抗震验算,总之,适当处理构件的强弱关系,使其形成多道抗震防线,是增强结构抗倒塌能力的重要措施。
四、合理分析计算结果、
1合理分析,正确简化计算程序要求的计算，如TBSA程序
对剪力墙按薄壁柱考虑的分析是有条件的,即剪力墙的总高度比截面最大尺寸要大得多,洞口上下基本对齐,上下层剪力墙截面不要突变,每片剪力墙不得多于19个墙段,实际工程中如果不符合这个要求,将影响计算结果的正确性1对于屋顶上部设置扩播电视电信的钢塔,用TBSA程序计算时,首先将钢塔转换成为等刚度、等质量的薄壁筒体与下面结构整体计算,然后,再按得到的内力另外进行钢塔的设计,框架-剪力墙结构中,剪力墙不落地时,形成框肢剪力墙结构,用TBSA程序分析,先将计算洞口划分为平面剪力墙或较简单的L形和I形剪力墙,转换层设托梁支承,用无柱连接点与上层剪力墙连接,当每片墙的支承柱数为3根或更多时,转换梁的刚度要取得很大的高度,这种简化便于整体分析,但转换层和上下相邻层的内力和配筋运用另外的计算程序进行设计。钢管混凝土、型钢混凝土构件有按刚度相等的条件转换成圆形或矩形截面的混凝土构件进行整体计算,求得内力后再按有关规定对构件进行承载力设计。
2分析计算机输出结果是否正确，首先从周期、振型和地震力方面判断,非耦连计算地震作用,其第一周期会在常规范围内,框架-剪力墙结构T1=(0.08～0.12)NS(NS为层数)；第二周期T=T(1/5～1/3)；第三周期约为T=T(1/7～1/5),如果相差太远应考虑调整结构截面尺寸和剪力墙的数量,使周期处于常规的范围内，正确的计算结果振型曲线多为连续光滑的,且第一振型没有零点,第二振型的零点在(0.7～0.8)H高度上,第三振型的零点分别在(0.4～0.5)H和(0.8～0.9)H高度上,如果计算结果有异样,应继续分析查找原因,正常情况,底部总剪力也应在合理范围内,7度Ⅱ类场地底部剪力大约在总重量的1.5%～3%之间,8度Ⅱ类场地大约在总重量的3%～6%之间视为正常。框架-剪力墙结构的位移在一般情况下,弯曲型与剪切型之间基本上是反S型,接近于直接参考点的位移曲线,应上、下渐变,不应出现大的突变,楼面水平位移保持直线状态,在同一结构,同一荷载下内力是平衡的(地震作用时,由于经过振型组合视为非同一荷载)内力平衡必须考虑全部内力,如节点力矩平衡,要考虑平面内、外的全部弯矩、扭矩,必须考虑单工况的内力,不考虑分项系数,否则内力是不平衡的，如果按这些要求,其内力不平衡时,应怀疑计算结果的正确性,继续分析找出原因。
五、结束语
在建筑结构设计中，需考虑其受力的特征，利用受力特征确定方案，使设计更加合理、经济。抗震性能要强，在于其结构设计计算合理的前提下加强，经过汶川、玉树大地震中，给我们一次次的警告，在抗震性能方面我们得努力去探索，完善。