框剪結構

　　框架-剪力墻結構，俗稱為框剪結構。主要結構是框架，由梁柱構成，小部分是剪力墻。墻體全部采用填充墻體，由密柱高梁空間框架或空間剪力墻所組成，在水平荷載作用下起整體空間作用的抗側力構件。適用于平面或豎向布置繁雜、水平荷載大的高層建筑。
　　主要特征剪力墻結合
　　框剪結構是框架結構和剪力墻結構兩種體系的結合，吸取了各自的長處，既能為建筑平面布置提供較大的使用空間，又具有良好的抗側力性能。框剪結構中的剪力墻可以單獨設置，也可以利用電梯井、樓梯間、管道井等墻體。因此，這種結構已被廣泛地應用于各類房屋建筑。
　　剪彎型
　　眾所周知，框架結構的變形是剪切型，上部層間相對變形小，下部層間相對變形大。剪力墻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。對于框剪結構，由于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。
　　水平荷載
　　從受力特點看，由于框剪結構中的剪力墻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%以上用剪力墻來承擔。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墻結構兼具了框架布置靈活、延性好和剪力墻剛度大的優點，二者通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，層間變形趨于均勻，比純框架結構側移小，非結構性破壞輕，其中剪力墻為主要抗側力構件，框架起到二級防線作用，比剪力墻體系延性好，布置靈活。因此，框剪結構是一種抗剪性能較好的結構體系。但由于剪力墻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，剪力墻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，從而帶動上部的墻體發生剛體位移，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于框架的彈性變形值，框架尚未充分發揮其自身的水平抗力。剪力墻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，框剪結構多用于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周期大都在0.7～1.7s，與某些地區的地震卓越周期較接近。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層的建筑，而5層以下和25層以上的破壞較輕。在1975年我國海城地震、1977年羅馬尼亞的弗蘭恰地震(卓越周期1.4s?)中，倒塌最多的也是十幾層的建筑物。當樓層多于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，采取一些經濟實用的方法來改善框剪結構的抗震性能，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 )筑物的抗震設計提供了一條有效可行的新途徑。
　　有關措施綜述
　　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，通過主動或被動的控制措施，調整結構的剛度、強度和質量分布，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。
　　抗震性能
　　1、將剪力墻做成四周有梁柱的帶邊框墻。邊框(明框和暗框)可阻止斜裂縫向相鄰發展，還可在墻板破壞后作承重構件代替墻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，以承擔因墻身通裂對邊框梁柱引起的附加剪力。
　　2、控制每肢墻的高寬比。必要時可設結構洞口或結構豎縫使變成雙肢墻或多肢墻,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，同時使原剪力墻一分為二，剛度降低，避免發生剪切破壞和底部墻體過早屈服。
　　3、剪力墻的剛性連梁，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系數都在 8以上，滯回曲線也相當飽滿；當跨高比降至 1時，延性系數則降至 3左右，滯回曲線嚴重捏擾，耗能很小，最后彎剪破壞。因此，需要對它的組成和構造采取一定措施。
　　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, 這樣可使延性系數由原來的3提高為10左右。
　　抗震性能
　　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性能。
　　2、沿周圈框架平面按K形支撐和X形支撐布置一定數量的鋼筋砼抗剪墻板或配筋砌塊抗剪墻板，能有效克服框架的剪力滯后現象，顯著提高框架的整體性和抗推剛度，減少結構的整體側移，特別有利于減小層間側移。但這種結構的延性較差，因此，可以在墻板上開十字形結構豎縫使之出現薄弱部位，形成延性耗能墻板。
　　3、設置偏交斜撐等贅余桿件，用彎曲耗能代替軸變耗能，其中折曲撐由鋼纖維砼桿制造，偏心連結支撐可用鋼桿或勁性鋼筋砼桿組成(如圖2和圖3)。在強烈地震作用下，一方面可利用這些贅余桿件的先期屈服和變形來耗散能量，另一方面當贅余桿件破壞或退出工作后，使得結構由一種穩定體系過渡到另一種穩定體系，引起結構自振周期的改變，以避開地震卓越周期的長時間持續作用所引起的共振效應。
　　復合材料節點
　　提高節點的強度和延性僅靠增加箍筋效果并不顯著，而采用鋼纖維砼和勁性砼梁柱節點效果較好。由于勁性鋼材或鋼纖維與砼的共同工作，使得節點區砼的受力性能特別是剪切變形大大改善，延性和耗能能力顯著提高，同時提高整體結構的抗震性能：
　　1、實行機構控制，實現總體屈服機制。在結構的特定位置設置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，使水平構件先于豎向構件屈服，最后豎向構件底部屈服。
　　2、使結構的剛度和承載力相匹配。在框剪結構中，如剪力墻數量多、厚度大，剛度自然也大，但會導致結構自振周期減小，總水平地震作用增大；反之剛度小，地震力也變小。所以，要根據建筑的重要性、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，從而定出抗震墻的數量、厚度，做到既安全又經濟。
　　3、使結構的剛度和延性相匹配。剪力墻和框架在剛度、彈性極限變形值和延性系數方面的差異使得框剪結構的抗震性能大打折扣，造成各構件不能同步協調地發揮材料抗力而出現先后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。
　　工作途徑
　　為了能夠使剪力墻和框架同步工作，可采用：
　　帶豎縫剪力墻。豎縫剪力墻在水平力作用下所產生的側移，不再是以墻體的剪切變形為主而是以并列柱的彎曲變形為主，原來墻面上的 斜向裂縫被并列小柱上、下端的水平裂縫代替。由于剪力墻的力學性能由剪切轉變為彎曲，彈性極限側移值加大，延性改善，彈塑性耗能增加，避免了普通抗震墻斜裂縫出現后的剛度嚴重退化。
　　采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，可提高剪力墻和框架之間的協同工作能力。
　　抗震設計概述
　　在現行規范的抗震分析中采用協同工作計算法，即采用框架彈性剛度和剪力墻彈性剛度組成并聯體結構模型，計算出結構彈性自振周期，按眾值烈度計算彈性地震作用?F，并將F?按彈性剛度比值分配給框架和剪力墻。該計算方法不能反映出因剪力墻開裂、剛度在局部發生突變而引起墻體轉動給結構帶來內力重分布，這樣顯然與實際情況有誤差。因此，有必要作調整。?
　　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，也允許局部考慮塑性內力重分布進行計算。
　　2.據空間有限元程序分析結果：受拉墻肢剛度退化后，實際受壓墻肢承受了90%的總剪力而受拉墻肢僅承受了10%，墻肢受剪嚴重不均勻。為此對于一、二級抗震墻，受壓墻肢的設計彎矩和剪力應乘以1.25，而受拉墻肢可降低10～20%。?
　　3.加強連梁是改善墻肢應力分配不均的有效途徑。通過合理的結構布置，使連梁能夠向各片墻肢傳遞更多軸向力，讓各墻肢盡可能地平均分擔重力而避免出現某墻肢全截面受拉的情況，從而也改善了墻肢承受剪力不均的狀況。
　　設計要求
　　(1)控制連梁端部的剪應力不大于0.15?σ?C?，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于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并考慮鋼筋超強效應的條件，使連梁的受剪承載力大于受彎承載力。?
　　4.調整框架的剪力
　　(1)為了承受由于剪力墻開裂剛度降低而轉移給框架的剪力，并保證框架作為二道防線應具備一定受剪承載力儲備，在按剪力墻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)空間有限元程序動力分析結果顯示：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。
　　結論
　　1.在框剪結構中，保護和改善剪力墻的抗震性能是關鍵。?
　　2.增加多道抗震防線和延性耗能機構是提高結構抗震性能的有效途徑。?
　　3.協調各構件的剛度、承載力和延性相匹配，可大大提高框剪結構的空間整體性能和抗震可靠度。
　　剪力，沿高度分布比樣均勻，各層梁柱的彎矩比較接近，有利于減小梁柱規格，便于施工。
　　建筑特點
　　1.框剪結構受力特點
　　框剪結構是當代高層建筑設計普遍采用的結構形式，全稱為“框架剪力墻結構”（frame-shear wall structure）該結構是在框架結構中布置一定數量的剪力墻，構成靈活自由的使用空間，滿足不同建筑功能的要求，足夠數量的剪力墻使建筑本身擁有相當大的剛度。框剪結構的受力特點是框架和剪力墻結構兩種不同的抗側力結構組成的新的受力結構形式，所以它的框架不同于純框架中的框架，剪力墻在框剪結構中也不同于純剪力墻結構中的剪力墻，因為在下部樓層剪力墻的位移較小，它拉著框架按彎曲型曲線變形，剪力墻承受大部分水平力，上部樓層則相反，剪力墻位移越來越大，有外側的趨勢，而框架則有內收的趨勢，框架拉剪力墻按剪切型曲線變形，框架除了負擔荷載產生的水平力外，還額外負擔了把剪力墻拉回來的附加水平力，剪力墻不但不承受荷載產生的水平力，還因為給框架一個附加水平力而承受負剪力，所以上部樓層即使外荷載產生的樓層剪力很小，框架中也出現相當大的剪力，框架剪力墻結構中的剪力墻可以單獨設置，也可以利用電梯井、樓梯間、管道井等墻體。
　　2.框剪結構設計及施工的特點
　　在建設用地日益緊張的今天，高層框剪結構的建筑設計被廣泛采用，高層框剪結構一般都設計地下室，基礎采用筏板基礎全現澆砼結構，在高層建筑群體建筑設計中，一般利用地下室或架空層與各主樓連接，主樓基礎與地下室連接，連接部分的基礎之間設置后澆帶，后澆帶一般設計要求在主樓主體封頂后再進行澆筑，高層框剪結構建筑根據設計的高度和層數不同，每平方米含鋼量在55kg～85kg之間，設計選用的鋼材，主受力鋼筋一般采用二級鋼和三級鋼，三級鋼采用的較多，構造鋼筋一般選用二級鋼和一級鋼，砼設計一般采用C50 、C40 、C35三個等級的砼，也有個別采用C55、C60等級的。
　　目前，框剪結構施工較流行的工藝為：采用現場搭設鋼管腳手架作為承重和支撐體系，采用現場加工木模板作為砼構件的成型模具，鋼筋采用直螺紋連接和豎向對焊；城市市區施工采用商品砼，郊區施工條件許可可自設大型攪拌站，砼現澆采用砼輸送泵進行澆筑，振搗采用插入式振動器振搗，垂直運輸采用塔吊和施工電梯。