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1、剪力墙结构及框架剪力墙结构中刚度理论浅析摘要： 本文从结构刚度角度指出了结构概念设计的重要性,提出了结构选型的原则与方法,列出了刚度理论在剪力墙结构、框架剪力墙结构中的应用.关键词： 刚度,结构选型,剪力墙,框架剪力墙1.结构体系的演变和刚度大小的比较 以混凝土结构为例，从柱体系到排架结构体系、框架结构体系、墙体系、筒体结构体系，整体刚度是不断增大的。结构形式、材料、组成和结构体系的不断发展和创新，是围绕着结构刚度的不断改善展开的。如利用剪力墙围成实腹筒后翼缘受力的原理，挖掘了结构平面外的潜力，形成了较大的刚度。在剪力墙围成的筒上开设洞口可形成密柱深梁的框筒结构。实腹筒和框筒都是空间结构，它们
2、充分利用材料强度，减少了结构构件的数量，增大了可利用空间，增大了结构抗侧力能力和抗扭刚度，提高了结构效率。 由于抗推刚度不同和承载力不同，前述的各种结构体系的适用范围和适宜高度是不同的。建筑抗震设计规范、高层建筑混凝土结构技术规程，高层民用建筑钢结构技术规程中都分别给出了我国常用的各种钢筋混凝土结构，钢结构和混合结构体系的适用最大高度。规范和规程规定的适用高度范围是指规程各项规定适用的高度范围，最大适用高度的规定是经验性的规定，考虑了我国目前常用的材料，并综合考虑不同结构体系的抗震性能、经济和合理使用、地基条件及震害经验等因素并考虑了我国建设的经验，制定了各种结构体系的最大适用高度。如果设计的
3、结构高度超过高层建筑B级表高度的规定，则必须要采取更加有效的措施。 2. 剪力墙结构刚度的调整与控制 剪力墙结构体系承受的竖向荷载及水平荷载都比较大，因其侧向刚度大，故水平力作用下侧移较小，并且由于没有梁、柱等外露与凸出，便于房间内布置，因此在高层住宅建筑中有广泛应用。剪力墙结构在水平力作用下侧向变形的特征为弯曲型。 钢筋混凝土剪力墙中，剪力墙的间距较小，平面布置不够灵活，建筑空间受到限制是它的主要缺点，因此它只适用于住宅、旅馆等建筑。剪力墙结构施工方便，适用高度范围大(多层高层均适用)，但由于自重大，刚度大，使剪力墙结构的基本周期短，地震惯性力较大，因此高度较小的剪力墙结构并不经济。高层住宅
4、设计时，不一定把所有墙均设计成剪力墙，为了减少结构自重及侧向刚度，可将部分墙设计为轻质隔墙，以达到较好的经济效果。 2.1 通过剪力墙平面的布置调整来控制剪力墙结构的刚度 结构布置应减少扭转影响，剪力墙的抵抗中心宜与外力作用中心重合，以避免产生扭转效应。剪力墙宜对称成对布置，有利于抵抗扭矩。剪力墙可以围成一个筒体结构，这样的结构可以抵抗各个方向的水平力和扭转，同时为了控制建筑物角部的温度影响，可以在角部开洞。但角部开洞对抗震不利，应加强其抗震措施。剪力墙的门窗洞口宜上下对齐、成列布置，形成明确的墙肢和连梁。由此可以得出剪力墙结构中剪力墙的布置原则为“周边、对称、成对、封闭、均匀、分散”等,按这
5、样的原则去布置剪力墙可以得到较大的刚度。 2.2通过剪力墙开洞、设置连梁，调整结构刚度 框架剪力墙结构中的剪力墙一般是采用下列形式：框架与剪力墙分开布置；在框架结构的若干跨内嵌入剪力墙；在单片抗侧力结构内连续分别布置框架和剪力墙；或采用上述两种或三种形式的混合。所形成的结构刚度并不很大，为了增强剪力墙抗侧力能力，连梁的刚度不宜太小。在剪力墙结构中，由于墙体多而密，所形成的结构整体刚度往往过大，吸引的地震力较大，因此，建筑抗震设计规范第6.1.9条规定较长的抗震墙宜开设洞口，将一道抗震墙分成长度较均匀的若干墙段，洞口连梁的跨高比宜大于6，各墙段的高宽比不应小于3，这是要求连梁刚度不宜太大。规范的
6、这些要求是通过控制剪力墙连梁的刚度，来调整剪力墙墙体的刚度,从而使结构整体刚度调整至合适程度，更好地发挥开洞剪力墙的作用。 3.框架剪力墙结构刚度的调整与控制 由于框架结构的主要优点是能获得较大空间，房间布置灵活，而主要缺点是侧向刚度小，侧移较大，而剪力墙结构侧向刚度大，可减小侧移，但全剪力墙结构无法布置大空间房屋。框架剪力墙体系恰好是对两者取长补短，既能布置大空间房屋与小空间房屋，布置灵活，又具有较大的侧向刚度。对于地震区建筑来说，框架剪力墙结构具有两道抗震防线，即剪力墙与框架，框架-剪力墙结构是由两个变形性能不同的抗侧力单元共同工作，共同抵抗水平荷载的。框架在水平荷载作用下呈现剪切变形，剪
7、力墙在水平荷载作用下呈现弯曲变形，在楼板水平刚度足够大时，使二者变形协调。正常的协同工作应当是：底部剪力墙分担的剪力，框架分担的剪力很小，上部框架承受的剪力逐渐增大，由于框架的作用，剪力墙变形出现反弯点，在上部剪力墙可能出现负剪力。框架的层剪力分布一般在底部最小，向上逐步增大，然后再逐步减小。框架剪力墙结构在水平力作用下侧向变形特征为弯剪型。 3.1 框架剪力墙结构中，剪力墙的布置和数量影响或决定了结构刚度 在框架剪力墙结构中，剪力墙的截面尺寸、数量、位置和形状等对结构刚度的影响举足轻重，刚度理论在其中体现的十分突出。总的思路都是从刚度角度出发，以刚度为计算参数来探索剪力墙的合理数量的规律。所
8、谓合理数量，一是指剪力墙不能太少，少到不足以抵抗风力或地震作用，这是结构设计所不允许的；二是剪力墙不宜太多，即结构刚度不宜太大，刚度大，则地震力相应增大,对抗震反而不利，而且会使造价上升，是属于不合理的结构设计。 目前我国国内设计的主要设计倾向是剪力墙太多，刚度太大。剪力墙是否恰当，还可以通过计算剪力墙分配到的总剪力的多少来检验。分配到总剪力的50%80%之间较好。剪力墙分配到的剪力过大(超过90%)，框架需要调整的内力就多，说明框架太弱。应当按要求的比例调整增大框架内力或增加框架柱的数量或增大柱截面刚度。剪力墙的剪力分配比例过小，则框架部分的延性要求要提高，会导致用钢量的增加。框架剪力墙结构
9、中剪力墙的布置部位和要求为：布置在建筑物周边附近，目的是加大结构抵抗倾覆力矩的能力，提高结构抗扭能力，取得较好的抗水平力和扭转效果。布置在楼梯间等开大洞处，平面形状变化处、凸凹较大处以弥补平面薄弱部位。把纵横墙连成T、L形可以发挥剪力墙自身刚度。此外单片墙体承担的地震剪力不宜超过结构底部总水平剪力的30%，避免该墙体对刚心位置影响过大，且一旦破坏对整体结构不利，其基础承担过大的水平力。 框架剪力墙结构的连接节点应采用刚接，目的是保证整体结构的几何不变和刚度的发挥；同时，较多的赘余约束对结构在大震下的稳定性是有利的。当然，个别节点由于特殊需要，也可采用梁端与柱或剪力墙铰接的形式，但要注意保证结构
10、的几何不变性，同时结构整体分析计算简图要与之相符。 3.2 框架剪力墙结构中反映框架与剪力墙相对刚度的指标是结构刚度特征值： 式中： CF为框架的等效刚度 EWJW为剪力墙的等效刚度 建筑的侧向变形形状与有关。称为框架剪力墙结构的“刚度特征值”,它的物理意义是总框架抗推刚度与总剪力墙抗弯刚度的相对大小。当很小时，如1框架的刚度相对于剪力墙很小，变形曲线的形状为弯曲型，当较大时（6），即框架的刚度与剪力墙的刚度比较大时，变形曲线为剪切型，当16时，随着的增大，剪力墙与框架的刚度比相对越来越小，框架承担的地震力就多了，结构的变形曲线就越接近框架的变形曲线。经过比较，不考虑布置的因素，刚度特征值大约在1.02.4的范围内，剪力墙数量比较合适。 4.结语 在工程结构概念设计和结构选型工作中，运用刚度理论可对结构和构件进行宏观控制，对剪力墙及框架剪力墙的选型及应用可达到概念清晰、定性、定量、准确有效、方便简捷的效果。 参考文献 1、林同炎、SD斯多台斯伯利，结构概念和体系（第二版），中国建筑工业出版社，2000 2、罗福午，建筑结构概念体系与估算，清华大学出版社，1991
剪力墙结构及框架剪力墙结构中刚度理论浅析
