参考答案:框架剪力墙结构刚度的调整与控制研究 来源：南宁分公司 作者：苏文生 发布时间：2011-4-8 《民营科技》2010年11期 框架剪力墙结构刚度的调整与控制研究 苏文生 （深圳市华蓝设计有限公司南宁分公司 广西南宁530011） 摘要：所谓刚度就是指单位变形（包括位移、转角等）所需的力，就是能限制作用力产生变形的性质，是工程结构的内在本质。在工程结构设计中应用刚度理论可对结构进行宏观控制，定性定量地进行结构分析，避免结构产生不安全因素，使受力合理并获得最佳经济效益。本文在刚度理论研究的基础上，对结构刚度在框架剪力墙结构设计中的应用展开研究与讨论，从而总结归纳出设计中应该注意的问题。 关键词：框架剪力墙；结构设计；刚度；刚柔相济 由于框架结构的主要优点是能获得大空间房屋，房间布置灵活，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。框架一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，框架一剪力墙结构具有两道抗震防线，即剪力墙与框架。 1.结构刚度理论 结构刚度就是结构或构件抵抗变形的能力。通常以施加于结构或构件上的力（力矩）与它所引起的线位移（角位移）之比来表示。 当结构工程师对工程结构进行计算分析时，首先要接触到的是属于结构外部的“力”，“力”也就是在结构上的作用，即荷载，而这些荷载的传递以及它们所引起的结构反应是通过属于结构内部因素的“刚度”来实现的。如果说结构的承载力是指结构能够抵抗作用力而不致破坏的一种性质，那么结构刚度就是结构能够限制作用力所产生变形的一种性质，在荷载不变的情况下，结构刚度大，结构的相应变形小，而结构刚度小，结构的相应变形则大。刚度是结构的内在本质，结构工程师必须重视“刚度”的概念，重视荷载-刚度-反应之间的关系。 2.框架与剪力墙的协同工作 框架剪力墙结构是框架和剪力墙两种结构体系的结合，框架和剪力墙共同承担水平力，变形一致，但由于两者刚度相差较大，变形形状也不相同，必须通过楼板使它们达到所谓的框架和剪力墙的协同工作。当框架单独承受水平力时为剪切型变形，当剪力墙单独承受水平力时为弯曲型变形。两者通过楼板连在一起，使变形协调一致，形成弯剪型变形。 由于剪力墙刚度大，常常承担大部分水平力，至于框架承担多少水平力，沿高度如何分布，这与剪力墙数量多少、框架与剪力墙之间的刚度比有关。其总的趋势是房屋上部框架承担大部分水平剪力，而在下部大部分水平剪力由剪力墙承担。框架与剪力墙协同工作，有利于减少层间变形，减少顶点位移，提高结构刚度。 3.框架剪力墙结构中剪力墙的布置和数量 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。早期有些结构工程师用单位建筑面积中剪力墙的截面积（即墙率）来确定墙的合理数量，并导出各种各样的简化公式。所谓合理数量，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，而且会造成造价上升，是属于不合理的结构设计。 目前我国国内对框架剪力墙结构设计的主要倾向是剪力墙布置太多或偏厚，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；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，但要注意保证结构的几何不变性，同时结构整体分析计算简图要与之相符。 4.设计框架剪力墙结构房屋应注意的三个问题 从刚度角度讲，设计框架剪力墙结构房屋还应注意以下三个问题： 1）框架-剪力墙结构中柱、墙总的刚度比大小决定了对框架受力的考虑。当框架结构中仅在楼电梯间或其他部位布置少量钢筋混凝土剪力墙时，结构分析应考虑该剪力墙与框架的协同工作，此时应采取措施减小此种剪力墙的作用，增加与剪力墙相连柱的配筋，这些措施包括将此种剪力墙减薄、开竖缝、开结构洞、配置少量单排钢筋等。此时结构形式按框架结构确定，按框架结构体系的要求进行结构设计。 2）当剪力墙布置较少刚度偏小时，在基本振型地震作用下，其框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%，框架是主要的抗侧力构件，必须保证其各方面的承载能力。规范规程要求其框架部分的抗震等级按框架结构确定；柱轴压比限值宜按框架结构的规定采用；最大适用高度和高宽比限值可比框架结构适当放松，放松的幅度可视剪力墙的数量及剪力墙承受的地震倾覆力矩来确定。当框架剪力墙结构布置足够的剪力墙时，即在基本振型地震作用下，框架承受的地震倾覆力矩小于结构总地震倾覆力矩的50%时，其框架部分则属于“次要抗侧力构件”，框架部分的抗震等级按框架剪力墙结构的规定来划分。 3）当剪力墙布置较多刚度过大而使框架受力过小时，需把框架部分予以加强。《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002规定“任一层框架部分的地震剪力不应小于结构底部总地震剪力的20%和结构整体分析中框架部分各楼层地震力最大值的1.5倍二者较小值”。此时框架是第二道抗震防线，为了不使框架部分过早出现塑性铰，必须给予它一定的抗震能力。 框架剪力墙结构与框架结构相比，由于抗侧能力大大提高，刚度增加，地震力作用下侧移小，是抗震性能较好的结构体系。虽然地震力主要由剪力墙承担，但设计要求框架承担一定比例的地震力，是抗震的第二道防线。总之，该种结构具有使用灵活、刚度大、抗震性能好的特点，因此得到了广泛的应用。 5.结论 实际上，历次大地震都说明，框架结构震害比较大，设置剪力墙的结构震害较小。事实说明结构变形较小，震害就较小，也就是说刚度大些对抗震有利。当然不能得出刚度越大越好的结论。此外结构振动和变形的大小不仅与结构刚度有关，还与场地土有关，当结构自振周期与场地土的卓越周期接近时，建筑物的地震反应会加大，无论是振动变形还是地震力都会加大，因此，结构刚度的选择还应考虑场地土的情况。 在进行工程结构设计时，正确的作法应该是做到结构刚柔相济，既保证结构在风和地震作用下不致产生过大的变形，又做到结构设计经济实用。刚是立足之本，必要的刚度不能少，如此方能使结构或结构构件的变形控制在一定范围之内；柔是护身之法，结构或构件的刚度总会是有限的，要以柔克刚，提高消化和转换内力的能力，刚柔相济是一种理想的“模糊概念”。刚柔相济是使结构具备合适的刚度，既要保证变形在容许范围内，有要经济合理。刚柔相济是结构设计的要求，也必然是结构设计师永远的追求。 `
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