框剪結構設計的9條經驗總結

框架-剪力牆結構由密柱高梁空間框架或空間剪力牆所組成，在水平荷載作用下起整體空間作用的抗側力構件。適用於平面或豎向佈置繁雜、水平荷載大的高層建築。框架結構的變形是剪下型，上部層間相對變形小，下部層間相對變形大。剪力牆結構的變形為彎曲型，上部層間相對變形大，下部層間相對變形小。對於框剪結構，由於兩種結構協同工作變形協調，形成了彎剪變形，從而減小了結砍的層間相對位移比和頂點位移比，使結構的側向剛度得到了提高。

NO。1

水平荷載主要由剪力牆承受

從受力特點看，由於框剪結構中的剪力牆側向剛度比框架的側向剛度大得多，在水平荷載作用下，一般情況下，約 80%以上用剪力牆來承擔。因此，使框架結構在水平荷載作用下所分配的樓層框架剪力牆結構兼具了框架佈置靈活、延性好和剪力牆剛度大的優點，二者透過水平剛度較大的樓蓋協同工作，在水平作用下呈彎剪型位移曲線，層間變形趨於均勻，比純框架結構側移小，非結構性破壞輕，其中剪力牆為主要抗側力構件，框架起到二級防線作用，比剪力牆體系延性好，佈置靈活。

因此，框剪結構是一種抗剪效能較好的結構體系。但由於剪力牆和框架的層間位移角彈性極限值相差很遠，當結構遭遇強烈地震時，剪力牆在其底部首先越過彈性變形階段出現裂縫進而屈服，在出鉸部位剛度大幅降低，剛度沿豎向發生突變，在塑性鉸區發生塑性轉動，從而帶動上部的牆體發生剛體位移，再加上彎曲變形，頂部側移激增，給與之相連的框架施加了很大的附加剪力。而此刻結構的層間側移角還遠小於框架的彈性變形值，框架尚未充分發揮其自身的水平抗力。剪力牆和框架之間剛度比值的變化也會引起地震作用的重新分配，增加了框架的負擔，使得框架的延性降低，無法有效地擔當起二道防線的作用。另外，框剪結構多用於 10～25 層左右的商住樓，根據工程設計實踐，這一類層數的房屋自振週期大都在 0。7～1。7s，與某些地區的地震卓越週期較接近。如1985年墨西哥太平洋岸的 8。1 級地震，共有 164 幢 6～20 層的房屋倒塌，其中倒塌率最高是 10～15 層的建築， 5 層以下和 25 層以上的破壞較輕。

1975 年我國海城地震、而在1977 年羅馬尼亞的弗蘭恰地震（卓越週期 1。4s）中，倒塌最多的也是十幾層的建築物。當樓層多於 14 層時，地震力的大小和破壞率都有一個明顯的陡然增大的趨勢。因此，採取一些經濟實用的方法來改善框剪結構的抗震效能，提高結構的可靠度就顯得尤為必要。結構控制理論為多種建 （構 ）築物的抗震設計提供了一條有效可行的新途徑。

NO。2

改善框剪結構抗震效能的有關措施

結構控制理論將結構的彈塑性分析與抗震相結合、抗震與消震相結合、能動控制與設計相結合，透過主動或被動的控制措施，調整結構的剛度、強度和質量分佈，控制結構實現最佳耗能機構，以增大結構的延性和耗能能力，增強結構對地震作用下強迫變形的適應能力，使其滿足抗震設防三水準要求。抗震結構按兩階段設計，即在彈性階段按強度控制，在彈塑性階段按變形控制。這樣設計的結構，既有一定的強度，又具有較大的延性和耗能能力，能一定程度地適應強烈地震使結構產生的強迫變形。

NO。3

提高剪力牆抗震效能

1、

將剪力牆做成四周有樑柱的帶邊框牆。邊框（明框和暗框）可阻止斜裂縫向相鄰發展，還可在牆板破壞後作承重構件代替牆板承重且有一定延性。邊框應具有足夠的斜截面受剪承載力，以承擔因牆身通裂對邊框樑柱引起的附加剪力。

2、

控制每肢牆的高寬比。必要時可設結構洞口或結構豎縫使變成雙肢牆或多肢牆，可控制裂縫和屈服部位出現在結構豎縫和洞口連梁處，形成耗能機構，同時使原剪力牆一分為二，剛度降低，避免發生剪下破壞和底部牆體過早屈服。

3、

剪力牆的剛性連梁，其跨高比往往僅為 1 左右。而試驗表明：當連梁的跨高比為 5時，延性和耗能很好，連梁兩端相對豎向位移的延性係數都在 8 以上，滯回曲線也相當飽滿；當跨高比降至 1 時，延性係數則降至 3 左右，滯回曲線嚴重捏擾，耗能很小，最後彎剪破壞。因此，需要對它的組成和構造採取一定措施。

措施之一是在1/2梁高的中性面上留一水平通縫，在縫的上、下兩側各埋置鋼板，鋼板上開有橢圓形螺栓孔，用高強螺栓把兩鋼板連結。在豎載、風載和小震下，高強螺栓把水平通縫分開的兩部分連梁連結成整體工作，使連梁具有一定的“剛性”。在大震作用時，兩鋼板發生相對滑動，原來跨高比為 1 的剛性連梁將被分成兩根跨高比為 2 的小梁協同工作，試驗表明， 這樣可使延性係數由原來的 3 提高為 10 左右。

NO。4

提高框架的抗震效能

1、

加強框架的角柱。角柱是連結縱橫框架的樞紐，要增加框架的空間整體性，就要加強角柱的抗剪效能。

2、

沿周圈框架平面按 K 形支撐和 X 形支撐佈置一定數量的鋼筋砼抗剪牆板或配筋砌塊抗剪牆板，能有效克服框架的剪力滯後現象，顯著提高框架的整體性和抗推剛度，減少結構的整體側移，特別有利於減小層間側移。但這種結構的延性較差，因此，可以在牆板上開十字形結構豎縫使之出現薄弱部位，形成延性耗能牆板。

3、

設定偏交斜撐等贅餘杆件，用彎曲耗能代替軸變耗能，其中折曲撐由鋼纖維砼杆製造，偏心連結支撐可用鋼杆或勁性鋼筋砼杆組成。在強烈地震作用下，一方面可利用這些贅餘杆件的先期屈服和變形來耗散能量，另一方面當贅餘杆件破壞或退出工作後，使得結構由一種穩定體系過渡到另一種穩定體系，引起結構自振週期的改變，以避開地震卓越週期的長時間持續作用所引起的共振效應。

NO。5

採用新型複合材料節點

提高節點的強度和延性僅靠增加箍筋效果並不顯著，而採用鋼纖維砼和勁性砼樑柱節點效果較好。由於勁性鋼材或鋼纖維與砼的共同工作，使得節點區砼的受力效能特別是剪下變形大大改善，延性和耗能能力顯著提高，同時提高整體結構的抗震效能：

1、

實行機構控制，實現總體屈服機制。在結構的特定位置設定一定數量的人工塑性鉸，對塑性鉸發生的區域、順序及塑性程度進行控制，使得結構在強震時能形成最佳耗能機構。在水平作用下，使水平構件先於豎向構件屈服，最後豎向構件底部屈服。

2、

使結構的剛度和承載力相匹配。在框剪結構中，如剪力牆數量多、厚度大，剛度自然也大，但會導致結構自振週期減小，總水平地震作用增大；反之剛度小，地震力也變小。所以，要根據建築的重要性、裝修等級和設防烈度來綜合這一對矛盾，以確定出結構的側移限值，從而定出抗震牆的數量、厚度，做到既安全又經濟。

3、

使結構的剛度和延性相匹配。剪力牆和框架在剛度、彈性極限變形值和延性係數方面的差異使得框剪結構的抗震效能大打折扣，造成各構件不能同步協調地發揮材料抗力而出現先後破壞被各個擊破的情況，大大降低了結構中各構件的利用效率和整體的抗震可靠度。所以，協調各抗側力構件的剛度和延性相匹配是工程設計中的一條重要抗震設計原則。

NO。6

剪力牆和框架同步工作的途徑

為了能夠使剪力牆和框架同步工作，可採用：帶豎縫剪力牆。豎縫剪力牆在水平力作用下所產生的側移，不再是以牆體的剪下變形為主而是以並列柱的彎曲變形為主，原來牆面上的斜向裂縫被並列小柱上、下端的水平裂縫代替。由於剪力牆的力學效能由剪下轉變為彎曲，彈性極限側移值加大，延性改善，彈塑性耗能增加，避免了普通抗震牆斜裂縫出現後的剛度嚴重退化。採用較好的延性偏交支撐，主要構造是交叉直撐的交叉點處用拼接板、高強螺栓與阻尼材料組成，在小震時，叉點處提供足夠的強度和剛度，像普通直撐那樣工作。在強震時，上撐與下撐 （或左撐與右撐 ）之間可相對滑動，導致剛度大大下降，可提高剪力牆和框架之間的協同工作能力。

NO。7

框剪結構的抗震設計與計算

在現行規範的抗震分析中採用協同工作計算法，即採用框架彈性剛度和剪力牆彈性剛度組成並聯體結構模型，計算出結構彈性自振週期，按眾值烈度計算彈性地震作用，並將按彈性剛度比值分配給框架和剪力牆。該計算方法不能反映出因剪力牆開裂、剛度在局部發生突變而引起牆體轉動給結構帶來內力重分佈，這樣顯然與實際情況有誤差。

NO。8

框剪結構抗震計算的調整

1、

在整體按彈性方法計算的基礎上，允許個別構件、個別部位按彈塑性性質對剛度進行調整，也允許區域性考慮塑性內力重分佈進行計算。

2、

據空間有限元程式分析結果：受拉牆肢剛度退化後，實際受壓牆肢承受了 90%的總剪力而受拉牆肢僅承受了 10%，牆肢受剪嚴重不均勻。為此對於一、二級抗震牆，受壓牆肢的設計彎矩和剪力應乘以1。25，而受拉牆肢可降低 10～20%。

3、

加強連梁是改善牆肢應力分配不均的有效途徑。透過合理的結構佈置，使連梁能夠向各片牆肢傳遞更多軸向力，讓各牆肢儘可能地平均分擔重力而避免出現某牆肢全截面受拉的情況，從而也改善了牆肢承受剪力不均的狀況。

NO。9

框剪結構對連梁的設計要求

1、

控制連梁端部的剪應力不大於 0。15%，以保證連梁具有足夠的截面和抗剪能力。

2、

連梁的剪跨比不應小於1。0，當剪跨比過小時可用水平縫將連梁分隔成兩根等高連梁。

3、

根據梁端實際抗彎配筋量並考慮鋼筋超強效應的條件，使連梁的受剪承載力大於受彎承載力。

4、

調整框架的剪力

（1）為了承受由於剪力牆開裂剛度降低而轉移給框架的剪力，並保證框架作為二道防線應具備一定受剪承載力儲備，在按剪力牆框架協同工作分析所分配的剪力基礎上，再對框架剪力進行調整。

（2）空間有限元程式動力分析結果顯示：框剪結構最大層間相對位移多發生在 0。4H～0。8H 之間，根據結構中框架的受力特點，對 0。4H 以上部分的框架適當提高抗剪承載力及延性。

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