框剪結(jié)構(gòu)是框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)兩種體系的結(jié)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(cè)力性能?？蚣艚Y(jié)構(gòu)中的剪力墻可以單獨設(shè)置，也可以利用電梯井、樓梯間、管道井等墻體。因此，這種結(jié)構(gòu)已被廣泛地應(yīng)用于各類房屋建筑。
眾所周知，框架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，由于兩種結(jié)構(gòu)協(xié)同工作變形協(xié)調(diào)，形成了彎剪變形，從而減小了結(jié)構(gòu)的層間相對位移比和頂點位移比，使結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度得到了提高。
從受力特點看，由于框剪結(jié)構(gòu)中的剪力墻側(cè)向剛度比框架的側(cè)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(dān)。因此，使框架結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下所分配的樓層框架剪力墻結(jié)構(gòu)兼具了框架布置靈活、延性好和剪力墻剛度大的優(yōu)點，二者通過水平剛度較大的樓蓋協(xié)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(jié)構(gòu)側(cè)移小，非結(jié)構(gòu)性破壞輕，其中剪力墻為主要抗側(cè)力構(gòu)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(jié)構(gòu)是一種抗剪性能較好的結(jié)構(gòu)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(dāng)結(jié)構(gòu)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(xiàn)裂縫進而屈服，在出鉸部位剛度大幅降低，剛度沿豎向發(fā)生突變，在塑性鉸區(qū)發(fā)生塑性轉(zhuǎn)動，從而帶動上部的墻體發(fā)生剛體位移，再加上彎曲變形，頂部側(cè)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(jié)構(gòu)的層間側(cè)移角還遠小于框架的彈性變形值，框架尚未充分發(fā)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(dān)，使得框架的延性降低，無法有效地擔(dān)當(dāng)起二道防線的作用。另外，框剪結(jié)構(gòu)多用于10~25層左右的商住樓，根據(jù)工程設(shè)計實踐，這一類層數(shù)的房屋自振周期大都在0.7~1.7s，與某些地區(qū)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(dāng)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(jīng)濟實用的方法來改善框剪結(jié)構(gòu)的抗震性能，提高結(jié)構(gòu)的可靠度就顯得尤為必要。結(jié)構(gòu)控制理論為多種建 (構(gòu) )筑物的抗震設(shè)計提供了一條有效可行的新途徑。
結(jié)構(gòu)控制理論將結(jié)構(gòu)的彈塑性分析與抗震相結(jié)合、抗震與消震相結(jié)合、能動控制與設(shè)計相結(jié) 合，通過主動或被動的控制措施，調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度、強度和質(zhì)量分布，控制結(jié)構(gòu)實現(xiàn)最佳耗能機構(gòu)，以增大結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力，增強結(jié)構(gòu)對地震作用下強迫變形的適應(yīng)能力，使其滿足抗震設(shè)防三水準(zhǔn)要求?？拐鸾Y(jié)構(gòu)按兩階段設(shè)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(shè)計的結(jié)構(gòu)，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(yīng)強烈地震使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的強迫變形。
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(fā)展，還可在墻板破壞后作承重構(gòu)件代替墻板承重且有一定延性。邊框應(yīng)具有足夠的斜截面受剪承載力，以承擔(dān)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(shè)結(jié)構(gòu)洞口或結(jié)構(gòu)豎縫使變成雙肢墻或多肢墻,可控制裂縫和屈服部位出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)豎縫和洞口連梁處，形成耗能機構(gòu)，同時使原剪力墻一分為二，剛度降低，避免發(fā)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(dāng)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(shù)都在 8以上，滯回曲線也相當(dāng)飽滿;當(dāng)跨高比降至 1時，延性系數(shù)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(gòu)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(cè)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(jié)。在豎載、風(fēng)載和小震下，高強螺栓把水平通縫分開的兩部分連梁連結(jié)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(fā)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(xié)同工作， 試驗表明, 這樣可使延性系數(shù)由原來的3提高為10左右。
1、加強框架的角柱。角柱是連結(jié)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(shù)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(xiàn)象，顯著提高框架的整體性和抗推剛度，減少結(jié)構(gòu)的整體側(cè)移，特別有利于減小層間側(cè)移。但這種結(jié)構(gòu)的延性較差，因此，可以在墻板上開十字形結(jié)構(gòu)豎縫使之出現(xiàn)薄弱部位，形成延性耗能墻板。
3、設(shè)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(jié)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(dāng)贅余桿件破壞或退出工作后，使得結(jié)構(gòu)由一種穩(wěn)定體系過渡到另一種穩(wěn)定體系，引起結(jié)構(gòu)自振周期的改變，以避開地震卓越周期的長時間持續(xù)作用所引起的共振效應(yīng)。
提高節(jié)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(jié)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(jié)點區(qū)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(jié)構(gòu)的抗震性能:
1、實行機構(gòu)控制，實現(xiàn)總體屈服機制。在結(jié)構(gòu)的特定位置設(shè)置一定數(shù)量的人工塑性鉸，對塑性鉸發(fā)生的區(qū)域、順序及塑性程度進行控制，使得結(jié)構(gòu)在強震時能形成最佳耗能機構(gòu)。在水平作用下，使水平構(gòu)件先于豎向構(gòu)件屈服，最后豎向構(gòu)件底部屈服。
2、使結(jié)構(gòu)的剛度和承載力相匹配。在框剪結(jié)構(gòu)中，如剪力墻數(shù)量多、厚度大，剛度自然也大，但會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)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(jù)建筑的重要性、裝修等級和設(shè)防烈度來綜合這一對矛盾，以確定出結(jié)構(gòu)的側(cè)移限值，從而定出抗震墻的數(shù)量、厚度，做到既安全又經(jīng)濟。
3、使結(jié)構(gòu)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(shù)方面的差異使得框剪結(jié)構(gòu)的抗震性能大打折扣，造成各構(gòu)件不能同步協(xié)調(diào)地發(fā)揮材料抗力而出現(xiàn)先后破壞被各個擊破的情況，大大降低了結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件的利用效率和整體的抗震可靠度。所以，協(xié)調(diào)各抗側(cè)力構(gòu)件的剛度和延性相匹配是工程設(shè)計中的一條重要抗震設(shè)計原則。
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(chǎn)生的側(cè)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(xué)性能由剪切轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢?，彈性極限側(cè)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(xiàn)后的剛度嚴重退化。
采用較好的延性偏交支撐，主要構(gòu)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?lián)?(或左撐與右撐 )之間可相對滑動，導(dǎo)致剛度大大下降，可提高剪力墻和框架之間的協(xié)同工作能力。
在現(xiàn)行規(guī)范的抗震分析中采用協(xié)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(lián)體結(jié)構(gòu)模型，計算出結(jié)構(gòu)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(fā)生突變而引起墻體轉(zhuǎn)動給結(jié)構(gòu)帶來內(nèi)力重分布，這樣顯然與實際情況有誤差。因此，有必要作調(diào)整。
1.在整體按彈性方法計算的基礎(chǔ)上，允許個別構(gòu)件、個別部位按彈塑性性質(zhì)對剛度進行調(diào)整，也允許局部考慮塑性內(nèi)力重分布進行計算。
2.據(jù)空間有限元程序分析結(jié)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(shè)計彎矩和剪力應(yīng)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(yīng)力分配不均的有效途徑。通過合理的結(jié)構(gòu)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(dān)重力而避免出現(xiàn)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。
(1)控制連梁端部的剪應(yīng)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(yīng)小于1.0，當(dāng)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(jù)梁端實際抗彎配筋量并考慮鋼筋超強效應(yīng)的條件，使連梁的受剪承載力大于受彎承載力。
4.調(diào)整框架的剪力?
(1)為了承受由于剪力墻開裂剛度降低而轉(zhuǎn)移給框架的剪力，并保證框架作為二道防線應(yīng)具備一定受剪承載力儲備，在按剪力墻框架協(xié)同工作分析所分配的剪力基礎(chǔ)上，再對框架剪力進行調(diào)整。
(2)空間有限元程序動力分析結(jié)果顯示:框剪結(jié)構(gòu)最大層間相對位移多發(fā)生在0.4H~0.8H之間，根據(jù)結(jié)構(gòu)中框架的受力特點，對0.4H以上部分的框架適當(dāng)提高抗剪承載力及延性。
1.在框剪結(jié)構(gòu)中，保護和改善剪力墻的抗震性能是關(guān)鍵。
2.增加多道抗震防線和延性耗能機構(gòu)是提高結(jié)構(gòu)抗震性能的有效途徑。
3.協(xié)調(diào)各構(gòu)件的剛度、承載力和延性相匹配，可大大提高框剪結(jié)構(gòu)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(guī)格，便于施工。
1.框剪結(jié)構(gòu)受力特點
框剪結(jié)構(gòu)是當(dāng)代高層建筑設(shè)計普遍采用的結(jié)構(gòu)形式，全稱為"框架剪力墻結(jié)構(gòu)"(frame-shear wall structure)該結(jié)構(gòu)是在框架結(jié)構(gòu)中布置一定數(shù)量的剪力墻，構(gòu)成靈活自由的使用空間，滿足不同建筑功能的要求，足夠數(shù)量的剪力墻使建筑本身擁有相當(dāng)大的剛度?？蚣艚Y(jié)構(gòu)的受力特點是框架和剪力墻結(jié)構(gòu)兩種不同的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)組成的新的受力結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中也不同于純剪力墻結(jié)構(gòu)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(cè)的趨勢，而框架則有內(nèi)收的趨勢，框架拉剪力墻按剪切型曲線變形，框架除了負擔(dān)荷載產(chǎn)生的水平力外，還額外負擔(dān)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(chǎn)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(chǎn)生的樓層剪力很小，框架中也出現(xiàn)相當(dāng)大的剪力，框架剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻可以單獨設(shè)置，也可以利用電梯井、樓梯間、管道井等墻體。
2.框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工的特點
在建設(shè)用地日益緊張的今天，高層框剪結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)計被廣泛采用，高層框剪結(jié)構(gòu)一般都設(shè)計地下室，基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ)全現(xiàn)澆砼結(jié)構(gòu)，在高層建筑群體建筑設(shè)計中，一般利用地下室或架空層與各主樓連接，主樓基礎(chǔ)與地下室連接，連接部分的基礎(chǔ)之間設(shè)置后澆帶，后澆帶一般設(shè)計要求在主樓主體封頂后再進行澆筑，高層框剪結(jié)構(gòu)建筑根據(jù)設(shè)計的高度和層數(shù)不同，每平方米含鋼量在55kg~85kg之間，設(shè)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(gòu)造鋼筋一般選用二級鋼和一級鋼，砼設(shè)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。
當(dāng)前，框剪結(jié)構(gòu)施工較流行的工藝為:采用現(xiàn)場搭設(shè)鋼管腳手架作為承重和支撐體系，采用現(xiàn)場加工木模板作為砼構(gòu)件的成型模具，鋼筋采用直螺紋連接和豎向?qū)?城市市區(qū)施工采用商品砼，郊區(qū)施工條件許可可自設(shè)大型攪拌站，砼現(xiàn)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。
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