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摘要：框架-剪力结构以其广泛的适用性和良好的抗震性能，被广泛应用，尤其在高层建筑中得到了大量的应用。本文从概念设计与结构整体优化出发，探讨了框-剪结构概念设计的一些要点，分析得出了框-剪结构的刚度特征值的最佳区间，并提出了剪力墙数量及位置布置的原则和优化方法，对框-剪结构的优化设计有一定的指导作用。
关键词：建筑结构；设计；选取；确定；布置
引言
城市高层建筑的结构设计大多采用框架-剪力墙结构体系，这种结构是框架结构和剪力墙结构两种体系的结合，吸取了各自的长处，既能为建筑平面布置提供较大的使用空间，又具有良好的抗侧力性能，因此在实际工程中得到广泛的应用。近几年，高层建筑的发展非常快，促使框架-剪力墙面临着很大的压力，根据建筑的实际情况，优化设计剪力墙结构，发挥框架-剪力墙结构的优势。本文在总结框-剪结构优化设计相关研究成果的基础上，重点探讨框-剪结构的概念设计及框-剪结构整体优化方法，以期对框-剪结构设计有理论和实际的指导作用。
1 高层建筑结构优化的层次
在引进包括全局和全寿命两个内涵的系统优化概念和考虑抗震分析的前提下，高层结构在设计阶段的优化可分为以下几个层次：1、结构功能的优化。2、结构体系选择的优化。3、结构体系的优化。4、结构尺寸的优化。5、基于最优设防烈度的抗震结构优化设计。
由于框-剪结构中剪力墙对结构刚度的影响较大，所以对其截面厚度的优化意义不大，应在合理的概念设计的基础上，以结构体系优化为主，即进行剪力墙数量的优化，剪力墙的平面布置和最佳刚度特征值的确定等工作。
2 框-剪结构总体概念设计
一般来说，高层建筑的概念设计应从建筑结构的规则性、建筑结构体系合理选择、抗侧力结构和构件的延性设计三方面考虑。就框-剪结构体系而言，在进行总体概念设计时，应该注意以下内容：
2.1 结构体系应有多道抗震防线。剪力墙及框架能分别满足第一、第二道抗震防线的要求。
2.2 剪力墙的合理布置。墙体布置应遵循“均匀、分散、对称、周边”的原则。①竖向荷载较大处、建筑物端部附近、楼梯和电梯间以及建筑平面刚度有变化处，宜设置剪力墙，以加强建筑在该处的薄弱环节。剪力墙在竖向宜对齐并直通到顶。②尽可能将纵横两个方向的剪力墙组合在一起。
2.3 框-剪结构中剪力墙的各墙段的高宽比不宜小于3，使其成为延性较好的弯曲破坏型剪力墙。
2.4 按框-剪结构剪力墙最优刚度原则，合理选取剪力墙数量。
3 框-剪结构优化设计
3.1 框架、剪力墙的刚度特性值
由框-剪结构体系的受力和变形特性可知，其是框架和剪力墙两种结构水平变形的有机协调，从而达到减少结构变形，增强结构侧向刚度，提高结构抗震能力的目的。
这种受力特性可以用结构刚度特性值，即框架刚度与剪力墙刚度的比值来表达。若忽略连梁约束和轴向变形的影响，有：
式中：H为建筑总高度；Cf为框架平均总刚度；EwIw为剪力墙折算总刚度。
3.2 最优刚度特征值的选取
工程实践表明：①λ过小，结构变形曲线呈弯剪型，即剪力墙用量过多，此时，结构刚度增大，自振周期缩短，地震力相应增加，结构延性降低，尤其对框架顶部几层极为不利，既不经济亦不合理。②λ过大，结构变形曲线呈剪弯型，即剪力墙用量过少，结构刚度较差，常不满足变形要求，同时，框架受力过大，梁柱截面尺寸加大，导致不经济。
由此可见，框架-剪力墙结构中影响结构协同抗侧工作最活跃的参数就是框-剪结构刚度特征值λ。在结构设计中，应根据λ对框-剪结构的侧移变形、剪力墙的弯矩竖向分布、剪力墙、框架的剪力竖向分布四个方面的影响，确定框架-剪力墙结构最佳工作状态时对应的最佳特征值区间。
相关研究表明，框架-剪力墙结构存在最佳刚度特征值区间为λ=1～2.5；若考虑连梁刚度贡献，其值可适当调整为1.2～3.0。因此，在结构设计中，可过调整剪力墙数量及截面，使框剪刚度特征值落在上述区间，以使框-剪结构能处于最佳工作状态。
3.3 剪力墙合理用量的确定方法
框架-剪力墙结构中一个非常重要的问题就是剪力墙如何设置，包括位置和数量，这是一个关系到框架-剪力墙结构体系能否达到安全、经济、合理，并体现体系优化的关键环节。
3.3.1 原则和要求
剪力墙的设置数量，应符合下列原则和要求：
3.3.1.1 在基本振型地震作用下，剪力墙部分承受的地震倾覆力矩应不小于结构总地震倾覆力矩的50%。否则，其框架部分的抗震等级应按框架结构的规定采用。
3.3.1.2 沿结构单元的两个主轴方向，按弹性方法计算的楼层层间最大位移与层高之比△u/h对于高度不大于150m的高层建筑，不宜大于1/800；对于高度等于或大于250m的高层建筑，不宜大于1/500；高度在150m～250m之间的高层建筑，按线性插入取用。
3.3.1.3 单片剪力墙底部承担的水平剪力不宜超过结构底部总水平剪力的40%。
3.3.2 确定方法
剪力墙合理数量可先按结构结构侧移限值确定，再通过结构自振周期和地震作用校核。这样既能充分发挥框架的抗侧能力，又能满足结构抗震和变形的要求，确保结构经济、合理。
根据框-剪结构刚度特征值有：
所以：
式中：EwIw为剪力墙折算总刚度；EcIc为框架柱总刚度；n为建筑物总层数；α为框架结点转动系数；底层柱：α=（0.5+i）/（2+i）。其中i为框架节点梁柱线刚度比。
建筑平面确定后，根据构件刚度、强度和柱最大轴压比限值要求，通过预估楼面荷载从而确定梁柱截面尺寸。因此框架柱总刚度EcIc、框架结点转动系数α便可算得。同时，根据框-剪结构受力特性，结构刚度特性值λ取值可按上述优化区间取得。把以上数据代入公式，便可求得所需剪力墙的总刚度EwIw，从而求得剪力墙的合理用量。
另外，根据国内有关资料，作为初步估算，结构底层柱和剪力墙的截面面积可参考表1。表中Ac、Aw、Af分别为柱、剪力墙和楼面面积。
3.4 剪力墙的合理布置
根据最优框剪刚度特征值λ确定剪力墙的合理用量后，框-剪结构的剪力墙布置，可按以下主要原则进行：
3.4.1 纵横墙成组布置。纵横向剪力墙宜合并布置为L型、T形和口字形，以便纵墙可以作为横墙的翼缘，横墙也可以作为纵墙的翼缘，从而提高其承载力和刚度。两片剪力墙通过框架梁（实际上是连梁）组成联肢墙也可以大大提高其刚度。
3.4.2 合理调整剪力墙的长度。保证剪力墙具有足够的延性，不发生脆性的剪切破坏，每一道剪力墙不应过长，总高度与总长度之比H/L宜大于3。连成一片的单个墙肢长度不宜大于8m，以免因剪切而破坏。而且，墙肢过长，中间部分的分布钢筋还未达到屈服，端部钢筋早就因变形过大而断开。所以，较长的单片墙可以留出结构洞口，划分为联肢墙的两个墙肢。每一道剪力墙在底层承受的弯矩和剪力均不宜大于整个结构底部剪力和倾覆力矩的40%。
3.4.3 剪力墙的最大间距。在框-剪体系中，剪力墙比框架的刚度大多得，成为楼板在水平面内的支座，因此，它们的间距不宜过大，以防止楼板在自身平面内变形过大。剪力墙之间无大洞口的楼、屋盖的长宽比宜满足表2的要求；当剪力墙之间的楼面有较大开洞时，楼、屋盖的长宽比还应当减小。当超过上述要求时，应计入楼盖平面内的变形影响。
4 结语
综上所述，框架-剪力墙结构是高层建筑中的常用结构，在进行框架-剪结构设计时，剪力墙数量的确定及合理的布置即剪力墙刚度的选择对整个结构的整体刚度和刚度中心位置很大影响。然而，目前国内外关于框-剪结构优化问题还没有形成统一的理论，给结构设计人员带来了一定的困难。因此，工程设计人员更应重视结构的概念设计和整体优化，这是结构优化的重要部分，其效果大于构件尺寸优化；仔细计算框-剪结构刚度，合理确定剪力墙数量，不断增加结构稳定性，保证建筑安全。
参考文献：
[1] 马艳洁.高层建筑框架-剪力墙结构设计研究[J]河南科技.2014（06）
[2] 刘野.基于最优化算法的框-剪结构中剪力墙的合理刚度研究[J].长沙理工大学.2014
[3] 朱珍群.浅谈高层建筑框架剪力墙结构设计[J].中国建材科技.2015（S2）：68-68
论文作者:龚欣如
论文发表刊物:《北方建筑》2016年12月第34期
论文发表时间:2017/2/23
标签：结构论文; 刚度论文; 剪力墙论文; 框架论文; 特征值论文; 高层建筑论文; 体系论文; 《北方建筑》2016年12月第34期论文;