一級結構之框架?D剪力墻結構設計
發布時間：2010-01-14 共1頁
4.5.1 框架―剪力墻結構的變形及受力特點
在框架結構中加設適量的剪力墻，二者通過樓蓋協同工作，以滿足建筑物的抗側要求，從而組成框架―剪力墻結構體系。在框架中局部增加剪力墻可以在對建筑物的使用功能影響不的情況下，使結構的抗側剛度和承載力都有明顯提高，所以這種結構體系兼有框架和剪力墻結構的優點，是一種適用性很廣的結構形式。
1. 變形特點
在水平荷載作用下，框架結構的側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。由于兩者是受力性能不同的兩種結構，因而兩者之間需要通過樓板的協同工作。由于樓板平面內剛度很(計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―剪力墻結構特有的變形曲線，呈反S形的彎剪型變形曲線。
框架下部位移增長迅速，上部增長較慢，剪力墻則與之相反。在框架―剪力墻結構下部，側移較小的剪力墻對框架提供幫助，墻把框架向左邊拉，框架―剪力墻的側移比框架單獨側移小，比剪力墻單獨側移；而上部，框架又可以對剪力墻提供支持，即框架把墻向左邊推，其側移比框架單獨側移，比剪力墻單獨側移小。最終框架―剪力墻結構的側移減小，且使框架和剪力墻中內力分布更趨合理。·
2. 受力特點
剪力墻的側移剛度遠于框架，因此剪力墻分配到的剪力也將遠于框架。由于上述變形的協調作用，框架和剪力墻的荷載和剪力分布沿高度在不斷調整。框架結構在水平力作用下，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，與結構剛度特征值λ直接相關。框剪結構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，而純框架最剪力在底部。因此，當實際布置有剪力墻(如：樓梯間墻、電梯井道墻、設備管道井墻等)的框架結構，必須按框架結構協同工作計算內力，不應簡單按純框架分析，否則不能保證框架部分上部樓層構件的安全。
4.5.2 框架―剪力墻結構布置一般原則
框架―剪力墻結構體系結構布置除應符合其各自的相關規則外，其框架和剪力墻的布置還應滿足下列要求：
(1) 框架―剪力墻結構應設計成雙向抗側力體系，主體結構構件之間不宜采用鉸接。抗震設計時，兩主軸方向均應布置剪力墻。梁與柱或柱與剪力墻的中線宜重合，框架的梁與柱中線之間的偏心距不宜于柱寬的1/4。
(2) 框架―剪力墻結構中剪力墻的布置一般按照“均勻、對稱、分散、周邊”的原則布置：
① 剪力墻宜均勻對稱地布置在建筑物的周邊附近、樓電梯間、平面形狀變化及恒載較的部位；在伸縮縫、沉降縫、防震縫兩側不宜同時設置剪力墻。
② 平面形狀凹凸較時，宜在凸出部分的端部附近布置剪力墻。
③ 剪力墻布置時，如因建筑使用需要，縱向或橫向一個方向無法設置剪力墻時，該方向可采用壁式框架或支撐等抗側力構件，但是，兩方向在水平力作用下的位移值應接近。壁式框架的抗震等級應按剪力墻的抗震等級考慮。
④ 剪力墻的布置宜分布均勻，單片墻的剛度宜接近，長度較長的剪力墻宜設置洞口和連梁形成雙肢墻或多肢墻，單肢墻或多肢墻的墻肢長度不宜于8 m。每段剪力墻底部承擔水平力產生的剪力不宜超過結構底部總剪力的40%。
⑤ 縱向剪力墻宜布置在結構單元的中間區段內。房屋縱向長度較長時，不宜集中在兩端布置縱向剪力墻，否則在平面中適當部位應設置施工后澆帶以減少混凝土硬化過程中的收縮應力影響，同時應加強屋面保溫以減少溫度變化產生的影響。
⑥ 樓梯間、豎井等造成連續樓層開洞時，宜在洞邊設置剪力墻，且盡量與靠近的抗側力結構結合，不宜孤立地布置在單片抗側力結構或柱網以外的中間部分。
⑦ 剪力墻間距不宜過，應滿足樓蓋平面剛度的要求，否則應考慮樓蓋平面變形的影響。
(3) 框架―剪力墻結構中的剪力墻，宜設計成周邊有梁柱(或暗梁柱)的帶邊框剪力墻。縱橫向相鄰剪力墻宜連接在一起形成L形、T形及口形等，以增剪力墻的剛度和抗扭能力。
(4) 在長矩形平面或平面有一項較長的建筑中，其剪力墻的布置宜符合下列要求：
① 橫向剪力墻沿長方向的間距宜滿足表4-18 的要求，當這些剪力墻之間的樓蓋有較開洞時，剪力墻的間距應予減小。
② 縱向剪力墻不宜集中布置在兩盡端。20
(5) 剪力墻宜貫通建筑物全高，沿高度墻的厚度宜逐漸減薄，避免剛度突變。當剪力
墻不能全部貫通時，相鄰樓層剛度的減弱不宜于30%，在剛度突變的樓層板應按轉換層
樓板的要求加強構造措施。
4.5.3 框剪結構的內力分析
1. 框架―剪力墻結構基本假定與計算簡圖
(1) 在框架―剪力墻結構分析中，主要有以下假定：
① 樓板在自身平面內的剛度無限。按此假定，保證了樓板將整個結構單元內的所有框架和剪力墻連成整體，不產生相對變形，在同一樓層標高處框架和剪力墻的水平位移相等。這就需要樓板為現澆或裝配整體式樓面。
② 建筑物剛度中心與水平荷載合力作用中心重合。按此假定，建筑在水平荷載作用下，不產生繞豎向軸的扭轉。因而當建筑物體型規整、剪力墻均勻、對稱時可以滿足此假定。
③ 將位于各樓層標高處的有限連桿視為沿房屋高度連續分布的無限根連桿。按此假定，不但在同一樓層處其有相同的位移，而且沿整個房屋高度都具有連續相同的變形。
(2) 計算簡圖。框架剪力墻結構的參考平面如圖4.32(a)所示。
在前面所述的基本假定前提下，可按結構單元內所有剪力墻綜合在一起，形成一榀假想的總剪力墻，總剪力墻的彎曲剛度等于各榀剪力墻彎曲剛度之和；同時把單元內的框架綜合為一榀假想框架，總框架的剪切剛度等于各榀框架剪切剛度之和。它們之間由水平連桿連接，這些水平連桿包括樓板和連梁。樓板與剪力墻、框架的連接可以看作鉸接，連梁與剪力墻的連接視其抗彎剛度的小可以看作剛接或鉸接。當連梁截面較小、跨度較、構造連接較差時，可忽略連梁對剪力墻轉動的約束，采用鉸接計算簡圖，如圖4.32(b)所示；當連梁剛度較，需要考慮連梁的約束作用時，連梁兩端按剛接考慮，計算簡圖如圖4.32(c)所示。
2. 基本計算參數
(1) 框架柱的側移剛度D 定義為：使框架柱兩端產生單位相對側移時所需的水平剪力。
(2) 總框架的抗側剛度f c 定義為：使總框架在樓層間產生單位剪切變形( φ=1)時所需的水平剪力。當各層fi C 不同時，計算中近似以加權平均值求f c ：h
(3) 單片框架的等效抗側剛度fieq C ：當框架的高度于50 m 或于其寬度的4 倍時，應計及柱的軸向變形對框架—剪力墻體系的內力和側移的影響，否則會使計算誤差增。這時，可用“等效抗側剛度” fieq C 代替上述的抗側剛度fi C 。
(4) 剪力墻的等效抗彎剛度w EI ：總剪力墻的等效抗彎剛度，即為同層內各片剪力墻等效剛度之和。當各層總剪力墻等效抗彎剛度不同時，可取各層的加權平均值。。
3. 建立微分方程
這就是總框架與總剪力墻協同工作的基本微分方程式。λ稱為框架―剪力墻結構的剛度特征值，它反映總框架與總剪力墻剛度之間的相對關系。λ，表示總框架的抗側剛度較(相對于總剪力墻的等效抗彎剛度)；反之則小。λ值的小對總框架及總剪力墻的內力將產生很的影響。
4. 基本方程的解。
5. 結構內力計算
(1) 對于框架―剪力墻結構鉸接體系，按照上述的位移與內力計算公式可以求得任意一標高處綜合剪力墻的內力w M ， w V 。在任一標高處綜合總框架所承受的總剪力f V 可由整個結構平截面內的剪力平衡條件得到。
(2) 綜合框架總剪力修正。為了保證框架結構中框架的安全，各層總框架分擔的剪力不能太小。
(3) 單榀剪力墻、框架的內力。將上述各式求得的綜合剪力墻的內力w M 、w V 按各單榀剪力墻等效剛度分配給每榀剪力墻，綜合框架的總剪力以調整后計算出的總框架剪力按各榀框架的抗側剛度進行分配，梁、柱彎矩等內力就可直接按純框架進行計算。
4.5.4 框架―剪力墻結構的截面與構造設計
1. 截面設計
框架―剪力墻結構中，框架梁、柱的截面設計和配筋構造與框架結構相同。在根據上述內力分析方法求得框架的梁、柱內力后，就可以按4.3 節的框架梁、柱配筋計算方法進行截面設計。剪力墻的截面設計可以根據上述內力分析方法求得的內力，按4.4 節中有關方法進行設計。剪力墻截面宜按I字形設計，其主要豎向受力鋼筋應配置在邊框柱(暗柱)截面內。
2. 構造設計
(1) 剪力墻豎向和水平分布鋼筋的配筋率，抗震設計時均不應小于0.25%。非抗震設計時均不應小于0.2%，并且至少雙排布置。各排分布筋之間的拉筋直徑≥6mm，間距≤600 mm。
(2) 框架剪力墻結構中的剪力墻宜采用周邊有梁、柱的剪力墻形式，研究表明取消端部柱可使剪力墻承受力下降20%～30%，所以剪力墻端部的框架柱不宜取消。剪力墻的軸線與柱軸線宜在一個平面內，避免柱偏心受力，產生扭轉。剪力墻上的框架梁應予以保留。研究表明，剪力墻取消框架梁以后，其承受力會下降10%。所以，如果確實無法設置框架梁時，也應設置暗梁代替。其截面高度取墻厚2 倍或與框架梁等高，配筋按構造配置。
帶邊框剪力墻構造應滿足以下要求：
① 抗震設計時，一、二級抗震等級的底部加強區截面厚度不小于200 mm，且不應小于層高的1/16。其他部位≥160 mm，且不應小于層高的1/20。
② 剪力墻水平鋼筋應全部錨入邊框柱內aE e 或( a e )。
③ 框架及剪力墻的構造應同時滿足前面4.3節及4.4 節的有關要求。
在框架結構中加設適量的剪力墻，二者通過樓蓋協同工作，以滿足建筑物的抗側要求，從而組成框架―剪力墻結構體系。在框架中局部增加剪力墻可以在對建筑物的使用功能影響不的情況下，使結構的抗側剛度和承載力都有明顯提高，所以這種結構體系兼有框架和剪力墻結構的優點，是一種適用性很廣的結構形式。
1. 變形特點
在水平荷載作用下，框架結構的側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。由于兩者是受力性能不同的兩種結構，因而兩者之間需要通過樓板的協同工作。由于樓板平面內剛度很(計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―剪力墻結構特有的變形曲線，呈反S形的彎剪型變形曲線。
框架下部位移增長迅速，上部增長較慢，剪力墻則與之相反。在框架―剪力墻結構下部，側移較小的剪力墻對框架提供幫助，墻把框架向左邊拉，框架―剪力墻的側移比框架單獨側移小，比剪力墻單獨側移；而上部，框架又可以對剪力墻提供支持，即框架把墻向左邊推，其側移比框架單獨側移，比剪力墻單獨側移小。最終框架―剪力墻結構的側移減小，且使框架和剪力墻中內力分布更趨合理。·
2. 受力特點
剪力墻的側移剛度遠于框架，因此剪力墻分配到的剪力也將遠于框架。由于上述變形的協調作用，框架和剪力墻的荷載和剪力分布沿高度在不斷調整。框架結構在水平力作用下，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，與結構剛度特征值λ直接相關。框剪結構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，而純框架最剪力在底部。因此，當實際布置有剪力墻(如：樓梯間墻、電梯井道墻、設備管道井墻等)的框架結構，必須按框架結構協同工作計算內力，不應簡單按純框架分析，否則不能保證框架部分上部樓層構件的安全。
4.5.2 框架―剪力墻結構布置一般原則
框架―剪力墻結構體系結構布置除應符合其各自的相關規則外，其框架和剪力墻的布置還應滿足下列要求：
(1) 框架―剪力墻結構應設計成雙向抗側力體系，主體結構構件之間不宜采用鉸接。抗震設計時，兩主軸方向均應布置剪力墻。梁與柱或柱與剪力墻的中線宜重合，框架的梁與柱中線之間的偏心距不宜于柱寬的1/4。
(2) 框架―剪力墻結構中剪力墻的布置一般按照“均勻、對稱、分散、周邊”的原則布置：
① 剪力墻宜均勻對稱地布置在建筑物的周邊附近、樓電梯間、平面形狀變化及恒載較的部位；在伸縮縫、沉降縫、防震縫兩側不宜同時設置剪力墻。
② 平面形狀凹凸較時，宜在凸出部分的端部附近布置剪力墻。
③ 剪力墻布置時，如因建筑使用需要，縱向或橫向一個方向無法設置剪力墻時，該方向可采用壁式框架或支撐等抗側力構件，但是，兩方向在水平力作用下的位移值應接近。壁式框架的抗震等級應按剪力墻的抗震等級考慮。
④ 剪力墻的布置宜分布均勻，單片墻的剛度宜接近，長度較長的剪力墻宜設置洞口和連梁形成雙肢墻或多肢墻，單肢墻或多肢墻的墻肢長度不宜于8 m。每段剪力墻底部承擔水平力產生的剪力不宜超過結構底部總剪力的40%。
⑤ 縱向剪力墻宜布置在結構單元的中間區段內。房屋縱向長度較長時，不宜集中在兩端布置縱向剪力墻，否則在平面中適當部位應設置施工后澆帶以減少混凝土硬化過程中的收縮應力影響，同時應加強屋面保溫以減少溫度變化產生的影響。
⑥ 樓梯間、豎井等造成連續樓層開洞時，宜在洞邊設置剪力墻，且盡量與靠近的抗側力結構結合，不宜孤立地布置在單片抗側力結構或柱網以外的中間部分。
⑦ 剪力墻間距不宜過，應滿足樓蓋平面剛度的要求，否則應考慮樓蓋平面變形的影響。
(3) 框架―剪力墻結構中的剪力墻，宜設計成周邊有梁柱(或暗梁柱)的帶邊框剪力墻。縱橫向相鄰剪力墻宜連接在一起形成L形、T形及口形等，以增剪力墻的剛度和抗扭能力。
(4) 在長矩形平面或平面有一項較長的建筑中，其剪力墻的布置宜符合下列要求：
① 橫向剪力墻沿長方向的間距宜滿足表4-18 的要求，當這些剪力墻之間的樓蓋有較開洞時，剪力墻的間距應予減小。
② 縱向剪力墻不宜集中布置在兩盡端。20
(5) 剪力墻宜貫通建筑物全高，沿高度墻的厚度宜逐漸減薄，避免剛度突變。當剪力
墻不能全部貫通時，相鄰樓層剛度的減弱不宜于30%，在剛度突變的樓層板應按轉換層
樓板的要求加強構造措施。
4.5.3 框剪結構的內力分析
1. 框架―剪力墻結構基本假定與計算簡圖
(1) 在框架―剪力墻結構分析中，主要有以下假定：
① 樓板在自身平面內的剛度無限。按此假定，保證了樓板將整個結構單元內的所有框架和剪力墻連成整體，不產生相對變形，在同一樓層標高處框架和剪力墻的水平位移相等。這就需要樓板為現澆或裝配整體式樓面。
② 建筑物剛度中心與水平荷載合力作用中心重合。按此假定，建筑在水平荷載作用下，不產生繞豎向軸的扭轉。因而當建筑物體型規整、剪力墻均勻、對稱時可以滿足此假定。
③ 將位于各樓層標高處的有限連桿視為沿房屋高度連續分布的無限根連桿。按此假定，不但在同一樓層處其有相同的位移，而且沿整個房屋高度都具有連續相同的變形。
(2) 計算簡圖。框架剪力墻結構的參考平面如圖4.32(a)所示。
在前面所述的基本假定前提下，可按結構單元內所有剪力墻綜合在一起，形成一榀假想的總剪力墻，總剪力墻的彎曲剛度等于各榀剪力墻彎曲剛度之和；同時把單元內的框架綜合為一榀假想框架，總框架的剪切剛度等于各榀框架剪切剛度之和。它們之間由水平連桿連接，這些水平連桿包括樓板和連梁。樓板與剪力墻、框架的連接可以看作鉸接，連梁與剪力墻的連接視其抗彎剛度的小可以看作剛接或鉸接。當連梁截面較小、跨度較、構造連接較差時，可忽略連梁對剪力墻轉動的約束，采用鉸接計算簡圖，如圖4.32(b)所示；當連梁剛度較，需要考慮連梁的約束作用時，連梁兩端按剛接考慮，計算簡圖如圖4.32(c)所示。
2. 基本計算參數
(1) 框架柱的側移剛度D 定義為：使框架柱兩端產生單位相對側移時所需的水平剪力。
(2) 總框架的抗側剛度f c 定義為：使總框架在樓層間產生單位剪切變形( φ=1)時所需的水平剪力。當各層fi C 不同時，計算中近似以加權平均值求f c ：h
(3) 單片框架的等效抗側剛度fieq C ：當框架的高度于50 m 或于其寬度的4 倍時，應計及柱的軸向變形對框架—剪力墻體系的內力和側移的影響，否則會使計算誤差增。這時，可用“等效抗側剛度” fieq C 代替上述的抗側剛度fi C 。
(4) 剪力墻的等效抗彎剛度w EI ：總剪力墻的等效抗彎剛度，即為同層內各片剪力墻等效剛度之和。當各層總剪力墻等效抗彎剛度不同時，可取各層的加權平均值。。
3. 建立微分方程
這就是總框架與總剪力墻協同工作的基本微分方程式。λ稱為框架―剪力墻結構的剛度特征值，它反映總框架與總剪力墻剛度之間的相對關系。λ，表示總框架的抗側剛度較(相對于總剪力墻的等效抗彎剛度)；反之則小。λ值的小對總框架及總剪力墻的內力將產生很的影響。
4. 基本方程的解。
5. 結構內力計算
(1) 對于框架―剪力墻結構鉸接體系，按照上述的位移與內力計算公式可以求得任意一標高處綜合剪力墻的內力w M ， w V 。在任一標高處綜合總框架所承受的總剪力f V 可由整個結構平截面內的剪力平衡條件得到。
(2) 綜合框架總剪力修正。為了保證框架結構中框架的安全，各層總框架分擔的剪力不能太小。
(3) 單榀剪力墻、框架的內力。將上述各式求得的綜合剪力墻的內力w M 、w V 按各單榀剪力墻等效剛度分配給每榀剪力墻，綜合框架的總剪力以調整后計算出的總框架剪力按各榀框架的抗側剛度進行分配，梁、柱彎矩等內力就可直接按純框架進行計算。
4.5.4 框架―剪力墻結構的截面與構造設計
1. 截面設計
框架―剪力墻結構中，框架梁、柱的截面設計和配筋構造與框架結構相同。在根據上述內力分析方法求得框架的梁、柱內力后，就可以按4.3 節的框架梁、柱配筋計算方法進行截面設計。剪力墻的截面設計可以根據上述內力分析方法求得的內力，按4.4 節中有關方法進行設計。剪力墻截面宜按I字形設計，其主要豎向受力鋼筋應配置在邊框柱(暗柱)截面內。
2. 構造設計
(1) 剪力墻豎向和水平分布鋼筋的配筋率，抗震設計時均不應小于0.25%。非抗震設計時均不應小于0.2%，并且至少雙排布置。各排分布筋之間的拉筋直徑≥6mm，間距≤600 mm。
(2) 框架剪力墻結構中的剪力墻宜采用周邊有梁、柱的剪力墻形式，研究表明取消端部柱可使剪力墻承受力下降20%～30%，所以剪力墻端部的框架柱不宜取消。剪力墻的軸線與柱軸線宜在一個平面內，避免柱偏心受力，產生扭轉。剪力墻上的框架梁應予以保留。研究表明，剪力墻取消框架梁以后，其承受力會下降10%。所以，如果確實無法設置框架梁時，也應設置暗梁代替。其截面高度取墻厚2 倍或與框架梁等高，配筋按構造配置。
帶邊框剪力墻構造應滿足以下要求：
① 抗震設計時，一、二級抗震等級的底部加強區截面厚度不小于200 mm，且不應小于層高的1/16。其他部位≥160 mm，且不應小于層高的1/20。
② 剪力墻水平鋼筋應全部錨入邊框柱內aE e 或( a e )。
③ 框架及剪力墻的構造應同時滿足前面4.3節及4.4 節的有關要求。
