浅析框架-剪力墙结构设计施工要点
摘要：随着科技的发展和用地面积的不断减少，住房建筑的高度不断提高，新的建造技术和结构形式也应运而生，由于框架-剪力墙结构兼有框架结构布置灵活、延性好的优点和剪力墙结构刚度大、承载力大的特点，在高层建筑中得到了广泛应用。但作为多种结构体系的融合，在设计和施工上具有一定的复杂性，本文主要介绍了框架-剪力墙结构体系的概念及特征，总结了该结构的变形及受力特点，归纳了框架-剪力墙结构设计的要点和施工工艺中应着重注意的四点，包括：测量放线施工、钢筋工程施工、模板工程施工和混凝土工程施工等。框架-剪力墙结构的设计与施工是相对困难的，但又直接影响着工程的质量。所以希望本文能够对框架-剪力墙的设计与施工提供一些指导和帮助。
关键词：框架剪力墙；设计；施工；质量
0 引言
近年来，建筑业飞速发展，建筑物的高度不断提高，高层建筑成为主流建筑。其中框架-剪力墙结构在高层建筑中应用较为广泛，随着应用的增加一些设计和施工问题也随着而来，合理的设计和正确的施工方式是保证工程质量的根本手段。
1 框架-剪力墙结构体系的概念及特征
框架-剪力墙结构由框架和剪力墙两种不同的抗侧力结构组成，在结构中同时布置框架和剪力墙，就形成框架-剪力墙结构；两个方向的剪力墙围成筒体，就形成框架-筒体结构（不是框筒结构），二者可以统称为框架-剪力墙结构。当剪力墙承担的倾覆力矩小于总倾覆力矩的50%时，虽然可以归入框架-剪力墙结构，但是框架部分应当按纯框架结构确定其抗震设计等级[1]。一般的，抵抗地震作用时，剪力墙（筒体）为第一道防线，框架为第二道防线，一起形成多道抗震设防结构。
2 框架-剪力墙结构的变形特点
框架结构体系在水平力作用下，其变形曲线属于剪切型。剪力墙结构体系在水平力作用下，其变形曲线属于弯曲型。框架-剪力墙结构体系中，既有框架又有剪力墙，因受到各层楼盖的约束，它们不能像单独的框架和剪力墙那样自由地变形[2]。各层楼盖因其巨大的水平刚度迫使框架和剪力墙的变形协调一致，在不考虑扭转影响的情况下，假定各层楼板的水平刚度为无穷大，那么，整个框架-剪力墙结构体系在水平力作用下的变形曲线是介于单独框架变形曲线和单独剪力墙变形曲线之间的一条呈反S形的曲线，其变形性质属于弯剪型。框架-剪力墙结构体系变形曲线的形状，将随体系中框架和剪力墙的相对数量和抗侧刚度比值而变化[5]。剪力墙的数量很少时，整体变形曲线就接近于剪切型：剪力墙的数量很多时，整体变形曲线就向弯曲型靠拢。
3 框架-剪力墙结构的受力特点
在框架-剪力墙结构中，通过平面内无限大刚度的楼盖将框架和剪力墙连接在一起，使其形成了一个网络结构，共同抵抗水平向的侧应力，不会单独受到各种弯曲变形或者剪切变形的影响，框架-剪力墙在同一个楼层的位移是基本相同的。在框架-剪力墙结构中，剪力墙在下部的层面形变较小，承担了80%以上的水平向剪力，而在高层建筑的上部，框架结构的形变较小，可以协助剪力墙进行作用，抵抗剪力墙的外拉式的形变，从而承受更大的水平剪切力[4]。可见，框架-剪力墙结构实际上就是综合了框架和剪力墙这两种结构的优势，有效地协调了水平的形变，从而达到减小结构性形变的效果，增强了结构的侧向刚度，提高了建筑的抗震能力，在高层建筑的结构设计中适用性较好。
4 框架-剪力墙结构设计要点
4.1 结构布置
4.1.1 布置原则
剪力墙的平面布置原则是均匀、分散、对称、周边布置。均匀、分散原则是要求每片剪力墙的刚度不要太大，连续尺寸不要太长，使剪力墙的数量多一些，分散一些，每一片墙肢的弯曲刚度适中，不会因为个别墙肢的局部破坏而影响整体的抗侧力性能。刚度越大的墙肢承担的吸收荷载也越大，同样的也要考虑墙肢开洞，来减轻个别墙肢的刚度集中问题。周边原则是为了使建筑物的刚度中心和平面形心尽量吻合，保证建筑物抗扭能力。剪力墙的布置在应力易集中处，如端部转角处、凸出四角处等等。另外，由于建筑的空间要求（形成大面积的楼板开洞）、楼梯间、电梯间以及管道井等处开洞对楼板刚度的连续性形成严重破坏的，有必要在这些地方增设剪力墙。剪力墙在竖向宜沿建筑物全高设置，尽量不要随意中断，且横向与纵向的剪力墙宜相连[3]。剪力墙宜在两个主轴方向组合布置成L形、T形以及口字形的筒体，尽量避免一字形墙的出现，这样可以提高剪力墙的刚度，单片长度较长的剪力墙宜开洞处理。洞口在竖向上宜对齐处理，洞边距端柱不宜小于300mm。洞口两侧应按现行规范设置边缘构件，采取加强措施，满足使用功能的要求。
4.1.2 参数控制
在框架-剪力墙结构中，剪力墙的受力特征一般采用结构的刚度特性值λ来表示，即框架刚度与剪力墙刚度的比值来代表[2]。若忽略连梁的约束形变和轴向形变，则可以用公式：λ=H（Cf/EIw）0.5来表达式中，H为结构总高度；Cf为框架结构的抗侧刚度；EI为剪力墙的折算总抗侧刚度。工程实践表明，如果λ值过小，则意味着框架结的总体剪力刚度与剪力墙的弯曲刚度的比值变小，整体结构的弯曲形变呈现弯剪形态，即剪力墙的使用数量过多，这时建筑的刚度增大，结构的延性就会降低。为了使框剪结构更为有效，一般选取λ≥1.15是比较合理的。λ值也不是越大越好，如果λ值过大，框架的总体剪力刚度与剪力墙的弯曲刚度的比值就增大，结构呈现剪弯形态，即剪力墙的数量过少，这会导致刚度减弱，不能满足形变的要求，同时框架的受力偏大，导致梁柱的截面增大，增加了成本。实践证明，一般以λ≤2.4为宜。
4.2 剪力墙的厚度
在框剪结构中，剪力墙的周边应设置梁和端柱组成的边框。在规范中有规定剪力墙的截面厚度：1）抗震设计时，一、二级剪力墙的底部加强部位的厚度均不应小于200mm，且不宜小于层高的1/16；2）其他情况不应小于160mm，且不宜小于层高的1/20。暗梁的宽度宜与墙同厚，高度可取墙厚的2倍或与该描框架梁截面等高。边框柱截面宜与同层框架柱截面相同，并应满足框架结构中对框架柱的要求[5]。一般情况下由于基础的埋置深度比较大而导致底层的层高比较高，从而也就要求底层剪力墙的厚度比较大。但我们要在保证墙体稳定性的前提，尽量的不把层高较高楼层的剪力墙做的太厚。
4.3 抗震设计要点
4.3.1 设计中采用机构控制达成总体屈服效果。
在框剪结构中的特定位置，设置一定数量的“塑性铰”，实现对塑性铰发生位置、次序、形变程度的控制，使结构在地震时形成较好的耗能机构。在水平力的作用下，水平构件首先屈服，然后才是竖向构件[1]。
4.3.2 平衡结构刚度和承载能力。
在框架-剪力墙结构中，剪力墙的数量增多，体积增大，刚度也会随之增加。但是，这就会使结构的自振周期变小，总体水平地震作用加大；反之，结构的刚度就会减小，地震力作用也就变小。因此，在设计过程中，应当根据建筑的基本情况来综合考虑，将建筑的设防烈度、高度、装修等级等内容在内，以确定结构允许的位移的最大限值，从而确定剪力墙的数量和体积，保证经济和安全并重。
4.3.3 刚度与延性的和谐统一。
框架与剪力墙结构在刚度和弹性限值、延性系数等方面都存在着一定的差异，这就给框剪结构抗震性能的提升制造了难题。理论上，框剪结构不会出现各个构件不能协调发挥作用的现象，而出现先后破坏、各个击破的情况，这就大大降低了结构中各个构件的有效性和抗震的可靠程度。所以，在设
计中应将各个构件协调起来，使刚度与延性和谐统一，以此保证建筑的抗震要求。
4.4 整体抗震性能及设计
由于框架-剪力墙中含有框架和剪力墙两种结构，如果能对于两者进行合理的布置，便能够充分发挥两者的优点，同时两者可相互彼此约束对方的缺点[3]。由于剪力墙在结构受力上起到了一定主导作用，因此梁纵筋在节点位置的锚固要求是比较低的，不同于框架结构那么严格。地震来临时，结构会在两个主轴的方向受到作用，但并不是两个主轴方向会同时达到最大的位移值。当建筑物结构受到地震作用时，在建筑物的高度方向，如果结构中存在着超强的部位，便会使得结构的曲率延性出现在建筑物结构的较弱的部位，从而最终发生结构物的破坏。在结构物破坏的位置会发生很大的塑形变形，但是建筑物结构的其他位置却能够保持弹性状态。对于框架-剪力墙结构进行设计的时候，特别需要对于剪力墙在高度方向上的连续性纳入考虑的范围[5]。
对于框架-剪力墙结构的抗震来说，剪力墙作为结构抗震的第一道防线，应当关注剪力墙延性的设计，其对于结构进行抗震是十分重要的关注点。在众多的剪力墙结构之中，双肢剪力墙具有较好的延性，因为其能够形成一定的塑性铰，从而能够对于地震产生的能量进行耗散，便可以提高剪力墙的延性[9]。
对于具有深连梁的框架-剪力墙结构来说，其具有非常低的延性，从而无法适应整体结构对于延性的要求。采用常规的连梁配筋方法，其剪力墙的延性无法达到要求，此时便需要提高剪力墙的延性，能够确保其在地震来临时，结构物处于弹性工作的阶段便能够吸收掉较多的能量，但是此种设计思路会使得工程的造价提高。为了能够对于上述问题进行解决，可以使用双连梁结构，此种构造能够有效的改善连梁的受力情况。对于深连梁剪力墙与双连梁剪力墙两种不同的构造进行对比，可以得出：
（1）当地震作用到结构物之上时，深连梁剪力墙发生的破坏属于脆性破坏，所以无法在其构造之中产生塑性铰，但是双连梁剪力墙之中可以形成塑性铰，从而能够耗散地震产生的能量。
（2）对于深连梁剪力墙来说，其一旦屈服便会在短时间内发生较大的破坏，从而不再具备抵抗侧向变形的能力；但是对于双连梁剪力墙来说，其屈服之后，仍然具有一定的抵抗侧向变形的能力。
（3）双连梁剪力墙与深连梁剪力墙进行对比，其具有更好的延性和耗散地震能量的能力，但是双连梁在抗侧刚度及墙根极限承载能力方面要弱于深连梁。当连梁设计采用超筋的方式不能够满足设计要求时，可以使用双连梁剪力墙的设计方式，对于连梁的刚度进行降低，从而改善了连梁在受力方面的性能，使得连梁不会出现超筋的现象。
5 框架-剪力墙结构施工技术要点
5.1 剪力墙结构施工技术
5.1.1 钢筋工程施工
房屋建筑框架结构中钢筋布局较为常见，是主要的支撑材料，钢筋直径低于10米，连接时可采用绑扎形式，具体操作如下：绑扎连接钢筋以细钢筋为主，主要用在建筑结构上下层绑扎连接上，能够起到良好支撑效果，浇筑过程中，钢筋网片会出现偏移，以向外或者向内偏移为主，为防止偏移造成钢筋稳定性降低，可以在钢筋搭接时使用竖向焊接方法，扩大水平筋焊接通道，进而将内外位移减少。绑扎钢筋时，要先在钢筋下垫上马凳筋，目的是将钢筋的厚度与间距感增强，在电线管布设时，不能叠放进行，造成钢筋网彼此预留出过大间距，造成电线管重叠以后超出厚度标准，楼板找平将出现困难，为施工工序的开展或者地面装饰造成阻碍[6]。
5.1.2 混凝土施工
按照施工标准与规范，对混凝土梁柱要一次性完成浇筑，每个楼层都是如此。通常使用预制型混凝土，对混凝土强度等级进行设计，按照强度标准完成浇筑处理。浇筑过程中，钢筋柱内要及时清理，
不能留下杂物或者水分，及时应用保护措施，做好质量控制。先对厚度为120~300毫米混凝土浇筑，进而减少因为物体滑落使骨料破损，降低浇筑质量。鉴于模板中的梁板、钢筋排列众多，相互交错，留下的孔隙非常小，并具有明显分散性。为此，要使用垂直方法振捣，减少平拉次数，均匀振捣以后才能分级浇筑。浇筑到钢筋接头位置，要在距离接头200毫米的位置处预留出施工缝，将封口钢板应用在箱型柱的处理中，并预留出若干个浇筑孔道，确保振捣与填充更加密实、稳固[11]。
5.1.3 模板施工
在对模板设计施工中，内外模板长度控制在400毫米以内，外模在支模时要紧贴墙体进行，接触部位要用填充物牢固填充。为确保内外墙模板浇筑不发生偏移，在对楼板进行浇筑时，要做好钢筋头预埋对位置进行。墙体模板接触部位要紧密，防止造成浆液泄漏，如果墙体有缝隙马上使用水泥浆封堵上，在支模位置处将宽度控制在40毫米以内，不能使用强度低的木条或者水泥作为封堵材料。
5.2 剪力墙混凝土工程冬季施工工艺
5.2.1 混凝土拆模
在正式开始拆模前，要对拆模的混凝土进行养护与检查，试验混凝土强度，还要使用回弹仪对梁、柱、板试件强度进行检测，在达到要求以后才能拆模[11]。如果是跨度与承重较大的结构，则要按照强度-成熟度关系计算方法确定拆模时间。
5.2.2 原材料的使用要求
使用的水泥最好是46.9等级以上的硅酸盐水泥；水泥中不能掺杂过多石块或者砂土，温度过低时要采取保暖措施，比如，覆盖草帘、敷设薄膜等。适量使用防冻剂，目的是对混凝土定型，定型完成以后要达到防冻、减水指标，并符合相关部门质量检查标准。在正式浇筑混凝土前，要先将模板上的积雪清楚，在炉内点火，使温度控制在5℃以上，先从一端使用斜面分层法进行浇筑，完成浇筑以后
进行抹平，覆盖上防火草帘，覆盖时必须严密，不能暴露混凝土，避免造成日后返工。
5.3 剪力墙结构施工质量控制
5.3.1 做好施工准备工作。
要严格按照设计图开展各项工作，使用标准图与施工经验配合，详细对结构图进行审核，及时记录下施工设计中存在的问题，比如，标高、尺寸、细部标注等，确保施工可以顺利开展；结构配筋严格按照施工规范开展，对于节点等复杂位置防止出现交叉施工，振捣的同时做好保护层的厚度控制，防止出现漏筋现象，详细对照配筋平面图，查看是否存在配筋偏差；对水电预埋孔洞合理性进行分析，分析各部分管道预埋是否合理，对截面适当削减，切实做好水电消防工作，为以后的工作奠定基础。在对边梁钢筋绑扎时需要注意的内容也较多，对于现浇的钢筋混凝土要对结构合理布设，使边梁与底柱保持对齐，鉴于梁的横纵面不同，都竖向穿过柱竖，将造成外侧混凝土的厚度增大，致使增大了保护层，一般，保护层都要控制在40毫米以上，如果保护层过大将使宽度降低，使两侧梁与筋接口相互紧固。但很多施工单位会缩减梁箍宽度，使梁箍筋时常处于外侧悬空状态，造成框架梁的稳定性降低。
5.4 梁柱节点钢筋绑扎与钢筋接头的注意事项
5.4.1 梁柱节点质量控制
一般，梁柱节点都要控制在合理范围内，如果梁柱节点超过5个方向，出现梁的绕穿现象时，将造成很多梁面筋厚度过大超出了设计标准，更会影响到梁的承载能力，这时就需要设计人员的调整，重新对梁的承载力进行设计与核算，结合梁面筋的具体位置将梁箍筋高度控制在标准内[10]。很多施工单位会将梁面筋的高度抬升，梁纵筋将出现弯曲弧度，这种做法会将梁的承载力提升，进而使施工费用增加。
5.4.2 钢筋接头质量控制方法
大量的工程实践显示，质量缺陷大部分是因为焊接包不均匀造成的，钢筋接头端不能与截面钢筋保持纵向垂直，造成焊接挤压不均匀，使钢筋接头强度降低。解决这一问题的方法是在焊接前使用气割法削平钢筋接头，使纵向轴能够相互垂直，还能使钢筋表面更加平整。
6 结语
框架-剪力墙结构之所以在建筑中得到了广泛应用，就是因为其结构的互补性。合理的设计和正确的施工可以使其突出框架和剪力墙的结构优势，提高高层建筑的抗震能力。建筑结构设计必须遵循正确的抗震概念设计的原则，对计算结果应结合工程实际状况和相关施工技术，从抗震概念设计的角度加以分析判断，弥补计算设计的缺陷。施工技术和其在整个建造过程中的应用对于建筑工程的整体质量同样具有重要影响。框架-剪力墙结构在具体施工建造中，既保障了建筑的受力稳定，从而提高建筑的安全性能，又在很大程度上为建筑高层创造了灵活的空间。只有合理的设计和正确的施工工艺才能确保实现框架-剪力墙结构的诸多优势 。
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