高層建筑工程的框支剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探究

王想花

(江西省建工設(shè)計(jì)院，江西 南昌 330000)

如今，高層建筑鱗次櫛比，矗立在城市的正中央，盡管轉(zhuǎn)換層的應(yīng)用使得高層建筑特殊的建筑要求得到滿足，但是帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑，縱向結(jié)構(gòu)構(gòu)件十分薄弱，而且扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較大。特別是在地震情況下結(jié)構(gòu)反應(yīng)十分復(fù)雜，所以高層建筑工程的框支剪力墻結(jié)構(gòu)必須經(jīng)過嚴(yán)格的設(shè)計(jì)、分析、仿真以及模型計(jì)算找出結(jié)構(gòu)薄弱部位進(jìn)行改進(jìn)加強(qiáng)，從而確保高層建筑的使用及抗震性能。

1 高層建筑的簡介

高層建筑可以說是衡量一個國家或者地區(qū)科技發(fā)達(dá)和經(jīng)濟(jì)繁榮的標(biāo)志之一。2002年我國將高層建筑的最少層數(shù)統(tǒng)一為10層，世界上最高的高層已經(jīng)達(dá)到110層，這是高層建筑不斷發(fā)展以及人類智慧的最好體現(xiàn)。高層建筑將以往較單一的住宅和辦公樓結(jié)合起來進(jìn)行綜合建筑發(fā)展，使得功能適應(yīng)性、技術(shù)合性和經(jīng)濟(jì)可能性得到質(zhì)的變化。但對高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及性能要求也逐漸提高，結(jié)構(gòu)所需的材料也開始轉(zhuǎn)向輕質(zhì)、新型、高強(qiáng)的復(fù)合方向發(fā)展。

2 轉(zhuǎn)換層在高層建筑工程中的應(yīng)用

由于多功能以及綜合用途的要求，從建筑的使用功能而言，通常將小開間設(shè)計(jì)在中上層，而大開間設(shè)置在高層建筑的下層部分。但從結(jié)構(gòu)的合理布置來看，兩者恰好相反，為了滿足建筑功能的要求，就必須采用與常規(guī)相反的布置形式。在下層布置強(qiáng)度較弱的框架柱，上層布置剛度較大的剪力墻，而上下層這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變必須要設(shè)置轉(zhuǎn)換構(gòu)件銜接兩種不同機(jī)構(gòu)，并傳遞之間的內(nèi)力，這一層就是轉(zhuǎn)換層。本文將重點(diǎn)介紹由于上下層具有不用的結(jié)構(gòu)從而通過轉(zhuǎn)換層進(jìn)行轉(zhuǎn)換的剪力墻結(jié)構(gòu)和框架－剪力墻結(jié)構(gòu)。在此類型中，轉(zhuǎn)換層將上部剪力墻轉(zhuǎn)換為下部建筑的框架，為建筑的底部創(chuàng)造出一個較大的內(nèi)部自由空間。

轉(zhuǎn)換層在高層建筑中的位置決定了高層建筑的抗震能力，其位置宜低不宜高。研究表明，轉(zhuǎn)換層位置較高時，更容易使框支剪力墻結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)換層附近的框支剪力墻結(jié)構(gòu)上下內(nèi)力傳遞路線發(fā)生突變，并且伴隨著較大的剛度變化。另外，轉(zhuǎn)換層位置越高，筒體或落地剪力墻越容易受彎出現(xiàn)裂縫，從而使框支柱的內(nèi)力增大，破壞轉(zhuǎn)換層上部墻體，這與抗震設(shè)計(jì)理念之間存在沖突。在現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定:9度區(qū)不應(yīng)采用;7度，8度地區(qū)可以采用，但限制大空間部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層不宜超過3層，7度區(qū)不宜超過第5層;6度區(qū)其層數(shù)可適當(dāng)增加，但不可過高。在必須采用高位轉(zhuǎn)換的情況下，應(yīng)嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)換層以下框支結(jié)構(gòu)的等效剛度，即必須考慮剪切、彎曲和軸向變形的綜合剛度。

3 框支剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)探究

框支剪力墻的結(jié)構(gòu)要追溯到五、六十年代由蘇聯(lián)和東歐的一些學(xué)者提出的下層為框架、上層為剪力墻的結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)中的部分剪力墻因建筑要求不能落地，直接落在下層框架梁上，再由框架梁將載荷傳至框架柱上，這樣的梁就叫框支梁，柱則叫框支柱，上面的墻就叫作框支剪力墻。由于其具有良好的建筑使用功能，如今已被廣泛地應(yīng)用到帶有轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)中，并通過不斷地工程實(shí)踐和研究分析，已經(jīng)形成了成套設(shè)計(jì)和施工工藝。下面從以下幾個方面對框里剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行探究:

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求

不同的工程概況和地基基礎(chǔ)需要設(shè)計(jì)不同的框支剪力墻結(jié)構(gòu)，不但要滿足不同的建筑功能要求，還必須滿足國家規(guī)范對這些結(jié)構(gòu)的相關(guān)規(guī)定。一般的帶有轉(zhuǎn)換層的高層建筑，為滿足不同的使用功能，轉(zhuǎn)換層以上使用剪力墻結(jié)構(gòu)，下層選擇局部剪力墻結(jié)構(gòu)。

(1)豎向結(jié)構(gòu)的布置。由于豎向受力構(gòu)件之間的轉(zhuǎn)換容易造成高層建筑豎向剛度的突變，若受到地震作用，此處則成為抗震的薄弱環(huán)節(jié)，所以《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中對框支剪力墻轉(zhuǎn)換層的上下結(jié)構(gòu)的等效剛度比有著嚴(yán)格的限制。在豎向結(jié)構(gòu)布置中，應(yīng)保證底部大空間具備合適的剛度、延性以及強(qiáng)度，一般從以下幾點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng)和改進(jìn)。轉(zhuǎn)換層的轉(zhuǎn)換構(gòu)件在傳力過程中應(yīng)該簡單直接，應(yīng)該盡量避免轉(zhuǎn)換次梁以及水平方向的多級轉(zhuǎn)換;處在框支剪力墻轉(zhuǎn)換梁的上一層墻體以及中間支柱承受的垂直載荷較大，最好不要設(shè)計(jì)門洞;盡量強(qiáng)化轉(zhuǎn)換層下部剪力墻以及框柱的剛度。

(2)平面結(jié)構(gòu)的布置。平面結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的整體性，遵循簡單、規(guī)則并做到均勻?qū)ΨQ。對于一些超長、超寬或者其他不規(guī)則平面結(jié)構(gòu)一般要設(shè)置溫度伸縮縫，不但可以具有整體性，還能兼作抗震縫。經(jīng)過多年的研究分析，一些平面不規(guī)則、質(zhì)量中心與結(jié)構(gòu)的剛度中心偏差過大的高層建筑中，在地震中承受巨大的扭轉(zhuǎn)作用力而受到嚴(yán)重破壞，所以設(shè)計(jì)過程中盡量使這兩個中心重合。

(3)轉(zhuǎn)換層構(gòu)件布置。轉(zhuǎn)換層既是上層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，又是下后結(jié)構(gòu)的封頂，起到承上啟下的作用。轉(zhuǎn)換層的存在使得上下傳力構(gòu)件無法直接、連續(xù)的進(jìn)行傳遞，所以在轉(zhuǎn)換層上部的豎向抗側(cè)力構(gòu)件應(yīng)直接落在轉(zhuǎn)換層的主結(jié)構(gòu)上，從而使水平轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)傳力直接，避免出現(xiàn)多級復(fù)雜轉(zhuǎn)換。梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在這方面就表現(xiàn)出良好的性能，并且具有成熟的模型仿真，但是由于框支主梁受到的作用力十分復(fù)雜，因此在設(shè)計(jì)時必須進(jìn)行應(yīng)力分析實(shí)驗(yàn)，并按應(yīng)力校核結(jié)果配備加強(qiáng)筋構(gòu)造。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)以及計(jì)算分析

框支剪力墻結(jié)構(gòu)是一種十分復(fù)雜的空間受力體系，極易形成各種薄弱部位，所以應(yīng)使用合適的三維模型分析軟件進(jìn)行整體構(gòu)造的詳細(xì)分析。建立完成三維模型后，需要使用有限元分析軟件對其進(jìn)行有限元法的分析計(jì)算。分析結(jié)束后還要加以進(jìn)行彈性時程分析法進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的補(bǔ)充計(jì)算。由于高層建筑的特殊特征，對于風(fēng)載荷、雪載荷以及豎向載荷都要進(jìn)行精確的計(jì)算分析，當(dāng)然對于抗震能力的設(shè)計(jì)分析是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重中之重，它直接影響著整個建筑的使用壽命以及使用安全性。

4 抗震性能的探究

由于框支剪力墻結(jié)構(gòu)在受力方面的復(fù)雜性，使得抗震能力不甚理想，特別是在轉(zhuǎn)換層下部以及相鄰的樓層更容易受到破壞，所以對抗震性能的研究也面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完畢后，根據(jù)不同的建筑施工工況進(jìn)行多次抗震作用效應(yīng)分析，對出現(xiàn)的抗震設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行改進(jìn)和完善，確?？蛑Ъ袅Y(jié)構(gòu)在高層建筑中抗震系數(shù)滿足各項(xiàng)要求。

5 總結(jié)

盡管在高層建筑中框支剪力墻已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，并且也取得了前所未有的高度和成就，但是該結(jié)構(gòu)復(fù)雜的受力特性使得在抗震性能上還有很大的改進(jìn)空間。在進(jìn)行轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)構(gòu)造時，嚴(yán)格遵循本文提到的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，特別是抗震概念要求，在轉(zhuǎn)換層附近適當(dāng)提高其構(gòu)造等級要求，增強(qiáng)整體抗震能力，使得框支剪力墻結(jié)構(gòu)更好地應(yīng)用到高層建筑中。

［1］金地.名郡A、B塔樓超限高層建筑工程結(jié)構(gòu)超限論證報告［R］.中建國際(深圳)設(shè)計(jì)顧問有限公司，2010.

［2］白潔.淺談高層建筑結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層［J］.山西建筑，2007，33(15):70－71.