框架-剪力墙结构的优化设计
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内容摘要：随着我国经济的发展以及人们生活水平提高，高层建筑的需求量有所增加。在高层建筑的框架-剪力墙结构中，剪力墙是最重要的抗侧力构件，承担了建筑70%以上的地震作用，因此剪力墙的设计质量将对结构安全性、工程造价等产生直接影响。本文结合框架-剪力墙结构的应用现状，对优化设计的具体策略进行分析与阐述。
关键词：框架-剪力墙； 结构；设计
Abstract: with the development of our national economy and improve people's living standard, the increased demand for high-rise building. In the frame of the high-rise building and shear wall structure, shear wall is the most important component of lateral force for building more than 70% of the earthquake action, so the design of the shear wall structure of safety, quality will have a direct impact of project cost, etc. Combining with the rc frame-shear wall structure of the current situation of the application and the optimization design of the specific strategies for analysis and described.
Keywords: frame-shear wall; Structure; design
中图分类号：TU398+.2文献标识码：A文章编号：
以当前城市高层建筑的发展来看，大多数结构设计应用框架-剪力墙结构。该结构主要由钢筋混凝土框架以及钢筋混凝土剪力墙构成，以梁柱作为二者的刚接部分。随着高层建筑体型越来越复杂，各种各样的住房综合起来，构成了形态各异的高层建筑，给设计工作带来一定难度。但是通过应用框架-剪力墙结构，则可优化空间组合形式，满足建筑物的各种使用需求，再加上该结构的承载力、延展性较强，可有效避免结构侧移现象，在诸多工程中成功应用。
框架-剪力墙的控制原则
1.1 平面布置
有关框架-剪力墙的平面布置，应遵循对称、均匀及分散性原则。具体来看，要求每一片剪力墙的刚度不宜过大，注意控制连续尺寸，尽量增加剪力墙的数量，分数那布局；要求墙肢的弯曲刚度与标准相符，不能由于个别墙肢的损坏而对整体性能产生影响。对于墙肢来说，其刚度越大，承受与吸收的荷载力也越大，同时应考虑到墙肢的开洞问题，以此避免单个墙肢刚度过于集中。另外，框架-剪力墙在周边布置的部分，抵抗扭转的力臂非常大，在确定适合的剪力墙数量基础上，无需额外增加过多剪力墙，即可满足使用要求。这样，既降低了造价，又具有良好的抗扭效果。有关剪力墙的布置，应主要偏向应力集中的位置，如凹凸角位置、端部转角位置等。
1.2 竖向布置
对于剪力墙的布置来说，应沿着竖向建筑物高度来设置，尽量不要有所中断。结合建筑使用功能的具体要求来看，如果必须将剪力墙中断，则需要加强转换层。这一点在国外相关规范中也有提到。如果剪力墙需要中断，结构产生强大的侧移刚度，就不会产生过多影响，对建筑顶部的位移影响也相对减少。有关转换层结构构件的设计，与绝对地震作用相关，因此无需额外采取特殊措施，这样既可以减少混凝土的用量、控制工程造价，也可以满足建筑要求。在实际工程设计过程中，应严格遵守国家相关行业规范，包括各种强制性标准、强制性条文等。
对于国外一些较为先进的经验，只能作为参考，而在实际工程中的应用十分有限。剪力墙的设计，需要在两个主轴方向进行组合，以布置T形、L形、口字形简体，避免出现一字形墙现象，确保剪力墙刚度。应该注意的是，如果剪力墙的单片长度在8m以上，应进行开洞处理。如果建筑的实际功能不要求在该处开洞，可以采取填充墙进行填充处理，注意将墙体厚度与剪力墙等同。如果洞口处于竖向，应进行对齐处理。在洞口的两侧位置，先按照规范设置边缘结构，再采取强化措施，以满足建筑使用功能与安全标准。
框架-剪力墙结构的计算方法
2.1 静力分析
在水平力作用下，剪力墙主要以弯曲变形为主，因此可将其简化为剪弯杆件或者竖向的悬臂受弯杆件。但是在水平力的作用下，主要以剪切型的变形为主。因此，可以将框架结构视作剪切梁，剪切刚度应参考具体标准与工程实际情况。由于考虑到框架和剪力墙之间的协同作用，再加上协同的连续化特征。因此应构建剪力墙和框架之间的协同微分方程，通过求解微分方程，就可计算结构的内力与侧移力。因此，在水平荷载作用下，考虑到协同作用，可将计算方法简化，并主要分为以下两大类：
（1）铰接结构
在框架与剪力墙之间，如果通过楼板实现连接，总连梁即楼板，可将楼板平面之外的数据忽略，只要确保二者的水平位移相同，而不存在弯矩传递现象，可以将连梁以铰接链杆方式计算。
（2）刚接结构
在建筑的框架与剪力墙之间，如果除了楼板的连接作用之外，还涉及到剪力墙和平面内的框架梁问题，则框架梁可以传递剪力与弯矩。这种情况下，不能将剪力墙的约束力忽略。将连续梁与剪力墙之间的数据，作为刚接结构计算。
2.2 动力分析
首先，构建基于多自由度体系的方程，将地震波输入其中。结合不同的恢复力模型，可分为非线性反应分析法和线性反应分析法两种情况，构件自身情况，则根据工程的实际情况而定，计算结果存在一定差异。一般情况下，框架-剪力墙的框架部分，有关非线性的分析可沿用框架结构的理论与试验成果。对于剪力墙的非线性部分研究来说，当前多垂直杆单元、等效桁架单元、墙柱单元等，都与非线性力学的模型较为接近，可如实反映受力状况。随着结构弹塑性的静力计算广泛应用，有关钢筋-剪力墙的优化设计也日益成熟，模型与工程实际更相符。
3、抗震墙数量的影响因素
3.1 场地选择
即使在同一场地震中，由于所处场地的参数、条件等有所不同，地面产生的运动特性也千差万别，因此建筑物受到的地震力存在区别。一般情况下，如果土层较为薄弱或者场地坚硬，则建筑物的地震反应较小；反之，如果土层较厚且场地以软土为主，则建筑物的地震反应较大，需相应增加抗震墙的数量。
3.2 震中距参考
经大量地震的研究证明，在同等地震烈度下，近震的影响系数较小，水平作用力也有所降低，同时可减少抗震墙的数量；远震的影响系数较大，水平作用力也有所增加，同时需提高抗震墙的数量。
3.3 抗震设防
有关设防的烈度，每增加一度，将会对地震影响系数增加一倍以上，同时抗震墙的数量也相应增多。但是由于抗震墙数量较多，则加大了结构的抗侧刚度，缩短房屋自振周期，进一步加大地震作用。因此，每增加一度烈度，就应增加相应的抗震墙数量。
4、规则结构框架的调整
（1）在抗震优化设计过程中，通过计算框架-剪力墙结构，获得框架楼的总剪力为vf，根据以下方法进行调整：
①当vf≥0.2v0，此时不需要调整楼层，vf根据计算值选取；
②当vf＜0.2v0，需要调整楼层。在设计过程中，vf取二者的相对较小值，即1.5vfmax・0.2v0。其中，v0代表由地震作用而产生的底部结构剪力，vfmax代表上层框架与下层框架所承受的最大剪力值。
（2）如果屋面的突出部分也是框架-剪力墙结构，则突出部分的剪力值取1.5倍计算值。
（3）如果采取振型分解反应谱方法，可完成内力振型的组合之后，进行一次优化调整。此时vfmax取振型的组合值，v0则为底部各个振型的剪力组合。
（4）在调整过程中，应计算每一层的调整系数――，取值以下较小者：
① ②
将与本层柱的弯矩相乘，计算剪力值，获得调整之后的内力值。一般情况下，梁的上层与下层调整系数有所不同，可以取平均值，获得调整之后的内力，而柱子的轴力则不需要调整。
由上可见，由于框架-剪力墙结构的良好适应性与安全性，当前已在高层建筑中广泛应用。但是有关剪力墙的布置、数量等参数，需要工程师根据以往经验、理论标准以及工程实际情况而定。因此，并没有一成不变的优化设计方法，应注意在设计过程中，既要满足建筑功能要求，又要注重控制造价，优化剪力墙结构设计，提高工程效益。
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