淺談住宅樓框支剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

呂慶陽(yáng)

洛陽(yáng)有色金屬加工設(shè)計(jì)研究院，河南 洛陽(yáng) 471039

0 引言

部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)是由落地剪力墻或剪力墻筒體和框支柱組成的協(xié)同工作結(jié)構(gòu)體系。這類結(jié)構(gòu)類型由于底部幾層有較大的空間，能適用于各種建筑的使用功能要求。因此，廣泛應(yīng)用于底層為商店、餐廳、車庫(kù)、機(jī)房，上部為住宅、公寓、飯店、綜合樓等高層建筑。但是，這種結(jié)構(gòu)在受力上也有明顯的缺點(diǎn)：傳力不直接，結(jié)構(gòu)豎向剛度變化很大，甚至是突變，地震作用下易形成結(jié)構(gòu)薄弱層，加上構(gòu)造復(fù)雜，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)較大難度。為了滿足建筑功能的要求，結(jié)構(gòu)必須設(shè)置轉(zhuǎn)換層進(jìn)行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換柱下部大空間框支剪力墻結(jié)構(gòu)可以在建筑物下部形成一層或多層的大空間，通過(guò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，用框架柱代替剪力墻以滿足建筑功能的要求。

1 工程簡(jiǎn)介

建業(yè)洛陽(yáng)森林半島住宅小區(qū)27號(hào)住宅樓建于洛南新區(qū)，英才路與北苑路之間。該樓建筑面積12980m2，其中人防地下室1層，層高4.6m，裙房2層，層高分別為5.1m，5.4m，3層以上為住宅，層高為3.0m。地面以上共19層，總高 61.8m。地面以上1、2層為商業(yè)用房，需要盡可能大的自由靈活空間，3層以上為住宅。因此，結(jié)構(gòu)體系采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，于第2層頂（即第3層樓面）設(shè)置梁式轉(zhuǎn)換層，采用主次梁轉(zhuǎn)換方案。轉(zhuǎn)換層及標(biāo)準(zhǔn)層平面布置見圖1、圖2。

圖1 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)平面圖

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖

設(shè)計(jì)時(shí)采用基本參數(shù)：基本風(fēng)壓為0.45kN/m2，基本雪壓為0.35kN/m2，地面粗糙度為B類，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，擬建場(chǎng)地為Ⅱ類場(chǎng)地土。主要構(gòu)件尺寸，框支層落地剪力墻厚度350mm，框支柱一般為800mm×800mm的方柱，最大框支柱800mm×1200mm,框支次梁500mm×1000mm,框支主梁600mm×1500mm，800mm×1500mm，標(biāo)準(zhǔn)層剪力墻厚度200mm。

2 概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)布置

本工程轉(zhuǎn)換層以下為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層以上為剪力墻結(jié)構(gòu)，本工程底部加強(qiáng)部位剪力墻及框支柱抗震等級(jí)為二級(jí)，非底部加強(qiáng)部位剪力墻抗震等級(jí)為三級(jí)。設(shè)計(jì)時(shí)從以下幾個(gè)方面做為概念設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。

2.1 平面布置

平面布置應(yīng)力求簡(jiǎn)單、規(guī)則、均衡對(duì)稱，盡量使荷載與結(jié)構(gòu)剛度中心重合，以避免或減少扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的不利影響。本工程在樓梯間及電梯間較薄弱處，均布置有落地剪力墻并形成了落地筒體，在建筑物兩側(cè)也設(shè)置了落地剪力墻，并在橫向布置有間距10.4m的落地剪力墻。墻體布置既分散又均勻。

2.2 豎向布置

豎向布置主要是要控制轉(zhuǎn)換層上、下剛度的突變，應(yīng)盡量強(qiáng)化轉(zhuǎn)換層下部的結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，弱化轉(zhuǎn)換層上部的結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，使轉(zhuǎn)換層上下部的結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度及變形特征盡量接近。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整轉(zhuǎn)換層上下剪力墻布置及落地剪力墻的厚度，本工程最終計(jì)算結(jié)果，X方向轉(zhuǎn)換層上部與下部結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比為0.80，Y方向轉(zhuǎn)換層上部與下部結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比為0.95，均滿足規(guī)范要求，且轉(zhuǎn)換層上下部的結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度基本接近，能夠有效的緩解構(gòu)件內(nèi)力和變形的突變。

2.3 轉(zhuǎn)換構(gòu)件選擇及布置

轉(zhuǎn)換層是建筑物中不同結(jié)構(gòu)形式相連的關(guān)鍵點(diǎn)，它既是下部結(jié)構(gòu)的封頂，又是上部結(jié)構(gòu)的“空中基礎(chǔ)”，在整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)體系中起著至關(guān)重要的連接紐帶作用。由于結(jié)構(gòu)豎向傳力構(gòu)件的不連續(xù)，造成結(jié)構(gòu)上部荷載不能直接傳給下部對(duì)應(yīng)構(gòu)件，而是通過(guò)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分配，再向下傳遞。因此，轉(zhuǎn)換構(gòu)件相當(dāng)重要而且受力比較復(fù)雜，必須保證轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)可靠有效的工作。因此，在布置轉(zhuǎn)換層上下主體豎向結(jié)構(gòu)時(shí)，要注意盡可能使水平轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)傳力直接，轉(zhuǎn)換層上部的豎向抗側(cè)力構(gòu)件（墻、柱）宜直接落在轉(zhuǎn)換層的主結(jié)構(gòu)上，盡量避免多級(jí)復(fù)雜轉(zhuǎn)換。梁式轉(zhuǎn)換受力明確，傳力簡(jiǎn)潔，計(jì)算模型簡(jiǎn)單，計(jì)算軟件比較成熟，而且施工方便，因此本工程設(shè)計(jì)采用梁式轉(zhuǎn)換，并且因受建筑功能限制，轉(zhuǎn)換層為主次梁轉(zhuǎn)換方案。這種方案由框支主梁承托剪力墻并承托轉(zhuǎn)換次梁及次梁上的剪力墻，其傳力途徑多次轉(zhuǎn)換，受力復(fù)雜?？蛑е髁撼惺芷渖喜考袅Φ淖饔猛?，還需承受轉(zhuǎn)換次梁傳給的剪力、扭矩和彎矩，并且框支主梁易發(fā)生剪切破壞。故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)框支梁進(jìn)行應(yīng)力分析，按應(yīng)力校核配筋，并加強(qiáng)配筋構(gòu)造措施。為避免框支梁上部剪力墻對(duì)框支梁產(chǎn)生不利的扭轉(zhuǎn)影響，平面布置時(shí)剪力墻截面中心線應(yīng)與框支梁截面中心線對(duì)齊，與框支柱截面中心重合?？蛑又車鷺前迦∠嗽绣e(cuò)層布置。

3 計(jì)算要點(diǎn)

3.1 一般規(guī)定

部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的三維空間受力體系，豎向剛度變化大，受力復(fù)雜，易形成薄弱部位。其內(nèi)力和位移應(yīng)能符合下列要求，根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際情況，確定較能反映結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件的實(shí)際受力狀況的力學(xué)模型，選擇合適的三維空間分析軟件進(jìn)行整體分析，在此基礎(chǔ)上采用有限元方法對(duì)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部補(bǔ)充計(jì)算，取得詳細(xì)的應(yīng)力分布，決定框支梁、柱和附近墻體內(nèi)的配筋，平面有限元分析的范圍應(yīng)為底層框架和框支層以上3～4層墻體?？拐鹩?jì)算時(shí)，宜考慮平扭耦連計(jì)算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2001）第5.2.2條條文說(shuō)明規(guī)定“振型個(gè)數(shù)一般可以取振型參與質(zhì)量達(dá)到總質(zhì)量的90%所需的振型數(shù)”。計(jì)算地震力時(shí)振型數(shù)應(yīng)適當(dāng)增加，不宜少于15個(gè)。本工程整體結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院研制開發(fā)的PKPM系列結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件 SATWE程序進(jìn)行計(jì)算，TAT程序進(jìn)行了校核。SATWE 采用墻元模擬剪力墻，不僅有墻所在的平面內(nèi)剛度，也具有平面外剛度，可以較好的模擬工程中剪力墻的實(shí)際受力狀態(tài)，對(duì)樓板以彈性樓板單元來(lái)描述，可以較準(zhǔn)確的算出樓板變形對(duì)梁、柱、墻的影響。TAT采用空間桿系計(jì)算梁柱等桿件，采用薄壁柱原理計(jì)算剪力墻。二者均適用于計(jì)算平面和立面體型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式，真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的受力性能。計(jì)算時(shí)，選取耦連，振型數(shù)為15，最終分析結(jié)果見表1。

表1 SATWE和TAT計(jì)算結(jié)果比較

由SATWE和TAT計(jì)算結(jié)果比較分析得出：

l） SATWE和TAT兩種軟件計(jì)算結(jié)果比較接近，可以相互參考；2）兩者計(jì)算的剪力重力比都在2%左右，說(shuō)明地震作用計(jì)算適當(dāng)；3）兩計(jì)算結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)較大的扭轉(zhuǎn)作用，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動(dòng)為主的第一自振周期之比小于0.85。說(shuō)明結(jié)構(gòu)平面布置合理，質(zhì)心和剛心吻合較好；4）轉(zhuǎn)換層上下剛度比在1左右，表明轉(zhuǎn)換后過(guò)渡平穩(wěn)，同時(shí)上部結(jié)構(gòu)無(wú)明顯薄弱層，說(shuō)明結(jié)構(gòu)豎向布置勻稱，剛度變化適度；5）最大層間位移角為1/1255，滿足規(guī)范要求，位移控制較好。

對(duì)框支梁、框支柱及其上部3層的剪力墻采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院研制開發(fā)的FEQ計(jì)算軟件進(jìn)行了有限元分析，研究框支轉(zhuǎn)換梁與剪力墻共同工作的應(yīng)力分布，并對(duì)應(yīng)有限元分析結(jié)果調(diào)整框支梁、框支柱及其剪力墻的配筋。

3.2 內(nèi)力調(diào)整

計(jì)算分析表明，部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層以上部分，水平力大體上按各片剪力墻的等效剛度比例分配，在轉(zhuǎn)換層以下，一般落地墻的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于框支柱，落地剪力墻幾乎承受全部地震作用，框支柱的剪力非常小。但在實(shí)際工程中，轉(zhuǎn)換層樓面會(huì)有顯著的面內(nèi)變形，從而使框支柱的剪力顯著增加。12層底層大空間剪力墻住宅模型試驗(yàn)表明：實(shí)測(cè)框支柱的剪力為按樓板剛性無(wú)限大計(jì)算值的6～8倍，且落地剪力墻出現(xiàn)裂縫后剛度下降，也導(dǎo)致框支柱剪力增加。所以，內(nèi)力分析后，應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)換層位置的不同，框支柱數(shù)目的多少，對(duì)框支柱及落地剪力墻的剪力做相應(yīng)的調(diào)整，底層落地剪力墻承擔(dān)該層全部剪力，當(dāng)?shù)讓又嘤?0根時(shí)，底層框支柱應(yīng)承擔(dān)20%～30%的底層剪力。框支柱剪力調(diào)整后，應(yīng)相應(yīng)調(diào)整框支柱的彎矩及柱端梁（不包括框支梁）的剪力、彎矩，框支柱的軸力可不調(diào)整。由于轉(zhuǎn)換層上部的樓層，其側(cè)向剛度較大，故結(jié)構(gòu)的1、2層不滿足“小于相鄰上部樓層側(cè)向剛度的70%，及不宜小于其上相鄰3層側(cè)向剛度平均值的80%”的要求，所以1、2層均為薄弱層，將地震力均放大1.15倍參與結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析計(jì)算。

3.3 構(gòu)件的配筋計(jì)算

框支梁承載很大且受力情況復(fù)雜，其不但是上下層荷載的傳輸樞紐，也是保證框支剪力墻抗震性能的關(guān)鍵部位，是一個(gè)很重要的受力構(gòu)件?？蛑Я簯?yīng)按偏心受拉構(gòu)件進(jìn)行承載力及變形計(jì)算。框支主梁承托轉(zhuǎn)換次梁及其上抗震墻時(shí)，應(yīng)將傳遞給水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件的地震內(nèi)力乘以1.25～1.5的增大系數(shù)后進(jìn)行應(yīng)力分析，按應(yīng)力校核配筋，并加強(qiáng)配筋構(gòu)造措施。設(shè)計(jì)中按應(yīng)力分析結(jié)果校核框支梁配筋后，對(duì)框支梁縱筋采用Ⅲ級(jí)鋼，混凝土采用C40，框支梁箍筋全長(zhǎng)加密，沿梁高配置有直徑Ф16的腰筋，梁縱向鋼筋采用機(jī)械連接，采取以上措施使框支梁這個(gè)復(fù)雜而重要的受力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)安全更有保障。

框支柱是轉(zhuǎn)換梁的支撐構(gòu)件，其上作用的荷載比較大，而且，往往轉(zhuǎn)換梁的剛度比框支柱大得多，為保證結(jié)構(gòu)破壞不出現(xiàn)柱鉸機(jī)構(gòu)的不利破壞形態(tài)，必須保證框支柱具有足夠的延性和變形能力，以耗散地震能量，減輕震害，因此，應(yīng)嚴(yán)格控制框支柱的軸壓比，設(shè)計(jì)時(shí)控制框支柱的軸壓比小于0.7，體積配箍特征值應(yīng)比規(guī)范規(guī)定框架柱數(shù)值增加0.02，且配箍率不應(yīng)小于1.5%，柱箍筋全高加密，柱縱向鋼筋全部采用機(jī)械連接。

4 構(gòu)造措施

表2 混凝土強(qiáng)度等級(jí)表

1）本工程采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)見表2，均滿足規(guī)范要求。

2）轉(zhuǎn)換層樓板作為重要的傳力構(gòu)件，承擔(dān)著完成上下部分剪力重分配的任務(wù)，作用不可忽視，因此必須有足夠的剛度保證。設(shè)計(jì)時(shí)采用180mm厚現(xiàn)澆混凝土樓板，配筋為Ф12@150雙層雙向，每個(gè)方向的配筋率均為0.42%，大于規(guī)范規(guī)定的0.25%的要求。同時(shí)，與轉(zhuǎn)換層相鄰樓層的樓板均予以加強(qiáng)，轉(zhuǎn)換層以下樓板的厚度為150mm厚，配筋為Ф12@150雙層雙向,轉(zhuǎn)換層以上樓板的厚度為150mm厚，配筋為Ф10@150雙層雙向。

3）底部帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)，其剪力墻底部加強(qiáng)部位的高度可取框支層加上框支層以上兩層的高度及墻肢總高度的1/8二者的較大值，本工程剪力墻底部加強(qiáng)部位取框支層加上框支層以上兩層的高度，即基頂～18.170，墻體兩端設(shè)有翼墻或端柱，并按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2002）設(shè)置有約束邊緣構(gòu)件，框支層以下落地剪力墻厚度350mm，配筋Ф12@200，配筋率大于0.3%，框支層以上底部加強(qiáng)部位剪力墻配筋為Ф10@200，已適當(dāng)加強(qiáng)。

4）由于轉(zhuǎn)角窗的存在，局部整體性有較大的削弱，對(duì)結(jié)構(gòu)整體抗扭不利，故采取以下加強(qiáng)措施：將雙向懸挑邊梁截面高度加高以增加連梁剛度，房間樓板加厚至130mm，并且在轉(zhuǎn)角剪力墻之間設(shè)置200×130的暗梁，形成配筋拉結(jié)板帶，以增加局部整體性。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)建業(yè)洛陽(yáng)森林半島住宅小區(qū)27號(hào)住宅樓框支剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，總結(jié)出：

1）對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系，必須認(rèn)真做好概念設(shè)計(jì)工作，分析結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和難點(diǎn)，盡可能做到受力明確，傳力直接。找出簡(jiǎn)潔可靠的結(jié)構(gòu)處理方式，做出總體結(jié)構(gòu)布置；

2）總體結(jié)構(gòu)計(jì)算的結(jié)果應(yīng)當(dāng)是對(duì)總體概念設(shè)計(jì)的量化和證實(shí)，因此，結(jié)構(gòu)計(jì)算的模型應(yīng)能較好的反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)；

3）對(duì)重要部位和關(guān)鍵構(gòu)件，應(yīng)進(jìn)行必要的局部分析，采取相應(yīng)的處理措施，注意其構(gòu)件設(shè)計(jì)的特殊性，以保證其安全度。

[1]高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ3-2002.

[2]建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB50011-2001.

[3]張維斌.多層及高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)釋疑及工程實(shí)例[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.