浅析框架结构剪力墙结构和框剪结构

1、引言

随着社会的不断发展，现代生活水平的不断提高，各城市高楼林立，高层建筑随处可见。而对于一般高层结构来说，我们经常使用的结构形式有框架结构、剪力墙结构和框架-剪力墙结构，但这三种结构形式在受力、变形都有各自的优缺点，只有充分了解各种结构形式的受力和变形特性，才能在实际的设计过程中根据建筑功能要求合理的布置墙柱，使结构受力合理，设计的房屋经济效益高。现就从受力变形对三种结构形式进行详细的分析，并对现阶段使用广泛的框架-剪力墙结构进行重點分析。

2、 框架结构、剪力墙结构和框架-剪力墙结构的受力变形特点 2.1 框架结构

2.1.1 框架结构的定义和简介

框架结构是由梁、柱组成的承重体系结构。主梁、柱和基础构成平面框架，各平面框架再由联系梁连接起来而形成框架体系。框架结构最大的特点是承重构件与围护构件有明确的分工，建筑的内外墙处理十分灵活，应用范围很广。根据布置方向的不同，框架体系可分为横向布置、纵向布置及纵横双向布置三种形式。横向布置即主梁沿建筑的横向布置，楼板和联系梁沿纵向布置，其具有结构横向刚度好的优点，实际采用较多。纵向布置与横向布置相反，因其横向刚度较差，应用较少。纵横双向布置是在建筑的纵横向均布置承重框架，建筑的整体刚度好，是地震设防区采用的主要方案之一。

图1 框架结构布置示意图 2.1.2 框架结构的受力特点

框架结构的抗力来自于梁、柱通过节点域的框架作用。单层框架柱底完全固结，单层梁的刚度也大到可以完全限制柱顶的转动，当有侧向荷载作用时，柱的反弯点在柱的中部，其承受的弯矩为全部外弯矩的二分之一，另外二分之一的外弯矩由柱子的轴力形成的力偶来抵抗。此情况下的梁、柱之间的相互作用即为框架作用的理想状态--完全框架作用。一般来说，当梁的线刚度为柱的线刚度的5倍以上时，可以近似地认为梁能完全限制柱的转动，此时就比较接近完全框架作

用。然而实际的框架作用往往介于完全框架作用与悬臂梁排架柱之间，因梁、柱等线性构件受建筑功能的限制，截面不能太大，其线刚度比较小，故而抗侧刚度比较小。

2.1.3 框架结构的变形特点

框架结构在水平荷载的作用下会产生较大的侧向位移。其中：一部分是框架结构产生的整体弯曲变形，即柱子的轴向拉伸和压缩所引起的侧移，在完全框架作用下，拉压力偶抵抗一般的外力矩，此时的整体弯曲还是比较明显的。另一部分是剪切变形，即框架的整体受剪，层间梁、柱杆件发生弯曲而引起水平位移。在完全框架作用情况下，柱子的弯曲变形是比较难抵抗的。通过合理设计，框架结构本身的抗震性能良好，能承受较大的变形。

2.2 剪力墙结构

2.2.1剪力墙结构的定义和简介

剪力墙结构是利用建筑的内墙或外墙做成剪力墙以承受垂直和水平荷载的结构。剪力墙一般为钢筋混凝土墙，高度和宽度可与整栋建筑相同。因其承受的主要再载是水平荷载，使它受剪受弯，所以称为剪力墙，以便与一般承受垂直荷载的墙体相区别。剪力墙结构的侧向刚度很大，变形小，既承重又围护，适用于住宅和旅游等建筑。国外采用剪力墙结构的建筑已达70层，并且可以建造高达100～150层的居住建筑。由于剪力墙的间距一般为3～8m，使建筑平面布臵和使用要求受到一定限制，对需要较大空间的建筑通常难以满足要求。

图2 剪力墙结构布置示意图 2.2.2 剪力墙结构的受力、变形特点

构建的抗弯刚度与截面告诉的3次方成正比。高层建筑要求结构体系具有较大的侧向刚度，故而增大框架柱截面告诉以满足高层建筑侧移要求的办法自然就产生了。但是由于它与框架柱的受力性能有很大不同，因而形成了另外一种结构构件。在承受水平作用是，剪力墙相当于一根悬臂深梁，其水平位移由歪曲变形和剪切变形两部分组成。在高层建筑结构中，框架柱的变形以剪切变形为柱，而剪力墙的变形以弯曲变形为主，其位移曲线呈弯曲形，特点是结构层间位移随楼层的增高而增加。

2.3 框架--剪力墙结构

2.3.1框架--剪力墙结构的定义和简介

框架--剪力墙结构简称框一剪结构。它是指由若干个框架和剪力墙共同作为竖向承重结构的建筑结构体系。框架结构建筑布臵比较灵活，可以形成较大的空间，但抵抗水平荷载的能力较差，而剪力墙结构则相反。框架一剪力墙结构使两者结合起来，取长补短，在框架的某些柱间布置剪力墙，从而形成承载能力较大、建筑布臵又较灵活的结构体系。在这种结构中，框架和剪力墙是协同工作的，框架主要承受垂直荷载，剪力墙主要承受水平荷载。

图3 框架-剪力墙结构布置示意图 2.3.1框架--剪力墙结构的受力、变形特点

在同一层中由于刚性楼板的作用，两者的变形协调一致。在框架-剪力墙结构中，剪力墙较大的侧向刚度使得它分担了大部分的水平剪力，这对减小梁柱的截面尺寸，改善框架的受力状态和内力分布非常有利。框架所承受的水平剪力较小且沿告诉分布均匀，因此柱子的断面尺寸和配筋都比较均匀。越接近底部剪力墙所承受的剪力也就越大，这有利于控制框架的变形；而在结构上不，框架的水平位移有比剪力墙的位移小的趋势，剪力墙还承受框架约束的负剪力。

3、 框架-剪力墙结构的结构设计

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第八章的规定，抗震设计的框架-剪力墙结构在基本振型地震作用下，框架部分承受的地震倾覆力矩与结构总地震倾覆力矩的比值不尽相同，结构性能也有较大的差别。在结构设计时，应据此比值确定该结构体系以及相应的适用高度、抗震等级和构造措施（下文中Mc/表示框架部分承受的地震倾覆力矩，M0表示结构总地震倾覆力矩）。

（1）Mc/M0≤10%：视为个别框架的剪力墙结构，仍属于剪力墙结构范畴，Mc/M0≤10%，意味着结构中框架承担的地震作用较小，绝大部分的地震作用由剪力墙承担，工作性能接近于纯剪力墙结构，此时结构中的剪力墙抗震等级可按剪力墙结构的规定执行；其最大适用高度仍按框架-剪力墙结构的要求执行；计算分析时按剪力墙结构进行计算分析，其側向位移控制指标按剪力墙结构采用。

（2）10%<=\"\" p=\"\"> （3）50%<=\"\" p=\"\">

（4）Mc/M0>80%：视为少墙的框架结构，属于框架结构范畴，Mc/M0>80%，意味着结构中剪力墙的数量极少，此时框架部分的抗震等级和轴压比应按框架结构的规定执行，剪力墙部分的抗震等级和轴压比按框架-剪力墙结构的规定采用；其最大适用高度宜按框架结构采用。对于这种少墙框剪结构，由于其抗震性能较差，不主张采用，以避免剪力墙受力过大而过早破坏。不可避免时，宜采取将此种剪力墙减薄、开竖缝、开结构洞、配置少量单排钢筋等措施，减小剪力墙的作用；宜增加与剪力墙相连柱子的配筋，并采取措施确保在剪力墙破坏后竖向荷载的有效传递。

4、 结论

通过对框架结构、剪力墙结构和框架-剪力墙结构的受力变形优缺点的对比，我们可以发现，在框架-剪力墙结构中，剪力墙比其单一工作时变形增大（下部），框架的下部变形却减少。这使得剪力墙担负更多的剪力，而框架下部的剪力较小，而上部情况却相反，剪力墙变形减小，因而卸载，框架变形加大，担负的剪力将增大，因此框架上部和下部变形趋于均匀化，层间变形趋于均匀化，充分发挥框架和剪力墙的优点，弥补各自的缺点，因而在高层的建筑结构设计中，应优先采用框架-剪力墙结构体系。

参考文献：

[1]《高层建筑混凝土结构技术规程》GJG3-2010.北京：中国建筑工业出版社，2010

[2]《建筑抗震设计规范》GB50011-2010.北京：中国建筑工业出版社，2010