高層建筑中框支剪力墻結構的設計與分析

顏朝暉

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

0 引言

近年來，框支剪力墻結構已逐漸成為豎向不規(guī)則高層建筑中經常采用的一種滿足建筑功能及美學要求的結構布置方式。由于框支剪力墻結構中豎向構件傳力的不連續(xù)性，造成結構上部荷載不能直接傳遞給下部對應的豎向構件，只能通過轉換構件的內力重分配，再向下傳遞，轉換構件相當重要且受力非常復雜;因此結構設計過程中，除對整體結構進行計算分析外，還應對轉換構件進行詳細分析，以保證框支剪力墻結構能正常地、可靠地、有效地工作。

本文結合一實際工程，探討高層建筑中框支剪力墻結構設計過程中的注意事項。

1 工程概況

某高層商住樓，位于山西省晉城市區(qū)，是集底部商業(yè)、塔樓住宅于一體的綜合性高層建筑。該工程地下2層，層高4.8 m。地上1層 ～3層為大開間商業(yè)用房，層高4.5 m(轉換層層高6.2 m)，4層以上為剪力墻結構住宅，層高為3.2 m，為實現這種底部大開間與上部剪力墻之間的轉換，在主樓3層頂設置結構轉換層，以傳遞豎向荷載和水平荷載。室外地坪以上主體結構檐口高度為67.75 m。本項目采用了傳力直接明確，傳力途徑清楚的梁式轉換方式，由于該建筑功能的特殊要求，導致了上部框支剪力墻軸線與底部框支框架錯開較多，故采用了轉換次梁與轉換主梁的轉換形式。

轉換層結構平面圖如圖1所示(為表達清楚，圖中忽略轉換構件以外的平面圖，圖中灰色部分為底部框支結構，黑色部分為上部框支剪力墻)。

2 整體結構計算分析

為分析整體結構的特性，采用SATWE，PMSAP對該結構進行整體對比計算?？拐鸬燃?框支框架、底部加強區(qū)均為一級;風荷載按五十年一遇取0.50 kN/m2;計算中考慮扭轉耦聯影響，共計算27個振型，計算結果見表1。

表1 振型信息

由表1可得:結構第一第二振型均為平動振型，第三振型為扭轉振型，且結構扭轉為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比均小于0.85，滿足規(guī)范要求。

由表2可得:周期比、剛度比、層間位移角及位移比均滿足規(guī)范要求。

表2 整體結構分析控制參數

3 關鍵構件補充分析

由于框支剪力墻結構中，上部結構荷載只能通過轉換構件的內力重分配之后才能向下傳遞，轉換構件受力復雜;故結構設計過程中，除對整體結構進行計算分析外，還應對轉換構件進行詳細分析。

針對本項目的實際情況，對結構中關鍵構件(框支框架及落地剪力墻)提出適當的性能設計目標，并采用PKPM計算程序進行結構在中震彈性及大震不屈服的計算。

中震彈性計算結果表明，結構中需考察的框支框架(框支梁以及框支柱)和底部加強區(qū)剪力墻承載力均滿足中震彈性的設計要求。

大震不屈服計算結果表明，結構中需考察的框支柱和底部加強區(qū)剪力墻滿足大震下抗剪截面控制條件?？蛑Я撼休d力滿足大震不屈服設計要求。

此外，為保證框支梁的承載力，還補充了框支梁在重力荷載下不考慮上部墻體共同工作的模型，將該計算模型與整體模型小震反應譜計算模型的計算結果對框支梁進行包絡設計。

4 彈性時程分析

為校核振型分解反應譜法的計算結果，根據規(guī)范要求，本工程采用彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算，彈性時程分析所取地面運動最大加速度為18 cm/s2，結構阻尼比為0.05。地震波選用建設方提供的及程序自帶的8組小震加速度記錄作為彈性時程分析的地震波輸入，包括5條天然波和3條人工波，每組包含2個方向的分量，在波形的選擇上，除符合有效峰值、持續(xù)時間、頻譜特性等方面的要求外，還應滿足規(guī)范對底部剪力方面的相關要求。計算中考慮了2個方向地震動時程輸入的影響。時程分析得到的x方向結果如圖2所示。

計算結果分析:

1)振型曲線符合規(guī)律;

2)最大層間位移角小于1/1000，滿足規(guī)范要求;

3)從圖2a)可以看出，曲線在轉換層處由剪切型過渡到彎曲型，符合變形規(guī)律;

4)時程分析得到的樓層剪力及層間位移角的變化趨勢與CQC反應譜法分析得到的結果基本一致;基底剪力平均值與CQC反應譜的比值(X向0.96，Y向0.97)及最小值與 CQC反應譜的比值(X向0.72，Y向0.70)均滿足規(guī)范要求，滿足小震彈性時程分析地震波選取的要求;動力時程反映分析復核結果表明，不需要調整整個樓層構件的內力及配筋。

5 樓板應力分析

本工程為部分框支剪力墻結構，為保證轉換層處不落地剪力墻的水平剪力能夠通過樓板有效傳遞給豎向構件，補充框支層樓板有限元應力分析。

在小震、中震作用下，框支層樓板的最大主拉應力分別為0.385 MPa和1.058 MPa，尚未超過樓板混凝土的抗拉強度標準值(C30混凝土，ftk=2.01 MPa)，可以滿足小震、中震不開裂的設計要求。

在大震作用下，框支層塔樓相關范圍內樓板的最大主拉應力為2.471 MPa，大于樓板混凝土的抗拉強度標準值(C30混凝土，ftk=2.01 MPa)，此時樓板已經開裂，在忽略了混凝土的抗拉強度后，折算得到的單跨范圍內樓板鋼筋拉應力小于400 MPa(HRB400型鋼筋的屈服強度標準值)，可以滿足大震樓板鋼筋不屈服的設計要求。

計算表明:在轉換層處樓板可以滿足小震、中震作用下樓板主拉應力不超過樓板混凝土抗拉強度標準值，大震作用下樓板鋼筋不屈服的設計要求，不落地剪力墻的水平剪力傳遞途徑可以得到有效保證。

6 抗震構造措施

經過上述多個計算模型的大量計算，力求把結構分析清楚，對關鍵構件進行多個模型的包絡設計，除計算結果滿足規(guī)范要求以外，為保證結構安全，還采取了以下措施:

1)由于底部商場使用功能限制，落地剪力墻數量明顯偏少，經多次與建筑、業(yè)主協商，在①③○13○15軸Y向增加了落地剪力墻，這樣雖然損失了部分的建筑功能，但是把扭轉效應降低到規(guī)范規(guī)定范圍內，扭轉周期也由第一周期降低到了第三周期，抗震性能大為提高。

2)轉換層樓板要完成上、下層剪力的重新分配，在自身平面內受力很大，本次樓板厚度按200 mm設計，框支梁向外一跨范圍內樓板加厚至180 mm，雙層雙向拉通配筋，每層每向最小配筋率0.25%，以利于水平力的傳遞。

3)嚴格控制剪力墻、框支柱、裙房框架柱的軸壓比，以提高整體結構的抗震性能。

4)采用轉換層后，底部大空間的柱子要承受上部結構的巨大荷載。因柱距受建筑功能制約，柱截面又要滿足軸壓比和上下層剪切剛度比的要求，所以框支柱極容易形成對抗震不利的短柱。同樣框支梁因承擔上部巨大的荷載，其抗剪承載力往往難以滿足要求。因此本工程中，框支梁主體框架均采用型鋼混凝土梁以提高抗震性能，其他轉換次梁采用鋼筋混凝土梁。柱子全部采用型鋼混凝土柱，以實現與型鋼混凝土梁的連接，提高整體結構的抗震性能。

5)部分地方由于建筑功能需要，框支剪力墻與框支梁軸線錯開，為減少框支梁的巨大扭矩，在剪力墻墻肢處(該處為扭矩集中作用點)設置與框支梁垂直的抗偏梁，從而抑制框支梁關鍵部位的出平面變形尤其是角變位。

7 結語

梁式轉換結構能滿足建筑物上、下不同使用功能的要求，但該類結構由于上下剛度突變，豎向構件不連續(xù)，屬于抗震不利的結構。該類型的結構設計對工程要求甚高。因此，在進行轉換層結構分析時，務必明確設計原則及計算原則，要做到概念明確，思路清晰。

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