加腋剪力墻整體結(jié)構(gòu)有限元分析及設(shè)計

摘要：該項目為一雙塔超高層建筑中的一座，高度165米，塔樓為酒店式公寓，標準層層高僅為3.6米。鑒于該建筑物層高方面的先天不足，在實現(xiàn)轉(zhuǎn)換的手段上必須采取一些非常規(guī)的手段，以保證建筑空間的完整性和結(jié)構(gòu)布置的合理性的有效結(jié)合。本文結(jié)合實際操作中的結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式，通過有限元軟件的計算分析，證明了此種方式的可行性。

關(guān)鍵詞：梁式轉(zhuǎn)換；超高層建筑；加腋剪力墻；有限元分析

前言

近年來，隨著我國經(jīng)濟水平的增長，越來越多的高層乃至超高層陸續(xù)落地于國內(nèi)的各線城市。同時，伴隨著材料科技的突飛猛進，在高層建筑的布局上也給予了建筑師更大的創(chuàng)作自由度。這些變化，意味著更多的建筑結(jié)構(gòu)形式的出現(xiàn)。其中，轉(zhuǎn)換層是一種最為常見的形式。轉(zhuǎn)換的形式主要可分為梁式轉(zhuǎn)換，板式轉(zhuǎn)換，桁架轉(zhuǎn)換和箱式轉(zhuǎn)換等。據(jù)不完全統(tǒng)計，在我國的高層建筑中，梁式轉(zhuǎn)換建筑約占75%?？梢?，梁式轉(zhuǎn)換是轉(zhuǎn)換層的主要形式。但在實際操作中，由于轉(zhuǎn)換梁存在受力較大、梁截面較高等特點，很多情況下建筑物因為凈高等一系列的潛在因素并不具備梁式轉(zhuǎn)換的條件。這時候就需要結(jié)構(gòu)設(shè)計師采用一些非常規(guī)的手段進行一些傳力途徑上的處理，在避免出現(xiàn)截面較大的轉(zhuǎn)換梁的前提下，以盡量簡易的結(jié)構(gòu)構(gòu)造達到轉(zhuǎn)換的效果。

1 工程實例

以某工程為例，該塔樓為框架核心筒結(jié)構(gòu)，總高度近165米，標準層層高3.6米。由于建筑布局的需要，削減了該塔樓六層以上樓層的核心筒內(nèi)X軸向剪力墻；作為相應(yīng)的抗剪補充，在四處外框柱位置采用了剪力墻與框架柱相連的結(jié)構(gòu)布局用以抵抗X向樓層剪力，詳見圖1。由此，在該四處部位形成了框支轉(zhuǎn)換梁，詳見圖2。在建筑要求樓層凈高不小于2.3米的前提下，3.6米的層高除去暖通排風管道的下掛空間，顯然第五層的樓層高度是不具備給框支轉(zhuǎn)換梁提供足夠截面高度的條件的。在此種條件下，我們就可以試圖使用加腋剪力墻的方式來改變框支剪力墻的傳力途徑，將墻的受力直接導(dǎo)向主框架，避免出現(xiàn)框支轉(zhuǎn)換梁，從而節(jié)省層內(nèi)空間。

2 計算模型的建立

2.1 模型簡圖以及邊界條件

截取1層至6層的框架梁、框架柱、剪力墻做有限元分析。因SATWE程序無法準確分析框架梁與剪力墻的共同作用，所以采用SAP2000對圖1、圖2內(nèi)橢圓所示結(jié)構(gòu)進行有限元分析。模型的立面圖以及三維圖詳見圖3、圖4；框架梁、框架柱、剪力墻均采用實體單元模擬。

將六層框架柱頂內(nèi)力及框架梁內(nèi)力作為外荷載輸入模型中；另外將6層框架柱底、剪力墻底部內(nèi)力作為外荷載輸入模型中。所有剪力和軸力以均布荷載的形式輸入模型，彎距以節(jié)點的形式輸入模型中（SAP2000中彎距無法以均布荷載的形式輸入）。

2.2 截面尺寸及材料

1層至5層框架柱的截面尺寸為800×2450，6層框架柱截面尺寸為800×1200兩種；剪力墻厚度為250mm；框架梁截面均為500×800，混凝土構(gòu)件強度等級為C60。

3計算分析

3.1 荷載取值及組合

荷載取值基于SATWE程序整體運算結(jié)果，分別提取相關(guān)節(jié)點在恒載（DL）、活載（LL）、水平地震力（EQ）、風荷載（WIND）工況下的節(jié)點內(nèi)力輸入SAP2000模型中，各荷載組合工況如下：

1.2DL+1.4LL；

1.35DL+0.98LL；

1.2DL+0.6LL±1.3EQ；

1.2DL+0.6LL±1.3EQ±0.28WIND；

3.2 荷載輸入說明

對所有剪力和軸力以均布荷載的形式輸入，彎距以節(jié)點的形式輸入（SATWE中力和位移的單位是kN和m，SAP2000中力和位移的單位是N和mm）；SATWE中顯示的正負內(nèi)力是在各構(gòu)件的局部坐標下的內(nèi)力方向，根據(jù)這些內(nèi)力方向相應(yīng)地輸入SAP2000整體坐標系中（SATWE內(nèi)力方向與SAP2000整體坐標一致為正，否則為負），比如對于框架柱，SATWE中恒載作用下6層柱頂?shù)妮S力和兩個方向的剪力分別為-13944.3 kN、75.2 kN、-395.1 kN，該柱截面為800 mm×1200 mm，換算成均布荷載為-14.5 N/mm2、0.08 N/mm2、-0.41 N/mm2，輸入SAP2000中沿整體坐標X，Y，Z三個方向的應(yīng)力分別為0.41 N/mm2、0.08 N/mm2、-14.5 N/mm2；

同理對于框架柱，SATWE中恒載作用下沿著局部坐標X，Y兩個方向的彎距分別是281.2 kN·m和45.5 kN·m，將上述兩個彎距分配到平面六個節(jié)點上，每個節(jié)點分配到的彎距分別是4.7×107N·mm和7.5×106N·mm，輸入SAP2000中沿整體坐標X，Y兩個方向的彎距分別是-7.5×106 N·mm和4.7×107 N·mm，其它荷載輸入類似處理。

3.3各構(gòu)件分析結(jié)果及配筋

6層樓面局部應(yīng)力較大，是因為6層樓面以上墻柱傳遞過來的彎距，是以節(jié)點的形式施加在6層樓面，引起應(yīng)力集中，我們不必考慮。

由圖7可知，加腋剪力墻水平方向以受拉為主，受拉區(qū)大部分墻身應(yīng)力在1.86N/ mm2以內(nèi)，現(xiàn)假定該應(yīng)力全由水平鋼筋承擔，將該應(yīng)力折算成鋼筋配筋率，則剪力墻水平方向全截面鋼筋配筋率為1.86/360=0.52%，水平方向可以配置雙排三級鋼筋12@100；剪力墻在豎直方向個別區(qū)域受拉，大部分區(qū)域受壓，壓應(yīng)力遠小于混凝土抗壓強度。所以該加腋剪力墻的配筋為雙層雙向三級鋼筋12@100。

各框架梁所受應(yīng)力方向基本一致，都是左端梁梁底受拉、梁頂受壓，右端相反；考慮增加框架柱延性以及降低軸壓比的需要，實際結(jié)構(gòu)在框架柱中設(shè)置了型鋼。

4結(jié)語

本文結(jié)合實際工程項目，對于在極端惡劣的結(jié)構(gòu)環(huán)境下通過設(shè)置加腋剪力墻的形式代替框支轉(zhuǎn)換梁的構(gòu)造做法進行了受力分析，并以此為依據(jù)進行了相應(yīng)的配筋設(shè)計。當被轉(zhuǎn)換的剪力墻過長時，也可進行分層轉(zhuǎn)換，例如圖8的形式，具體構(gòu)造見仁見智，其分析的方法也可參考上述形式。

值得一提的是，此構(gòu)造形式的應(yīng)用前提是，無論是轉(zhuǎn)換墻還是被轉(zhuǎn)換墻自身都需具備足夠的平面內(nèi)剛度，以保證在豎向平面內(nèi)不發(fā)生太大的變形，防止與墻相連的框架梁固定端附加太多因位移產(chǎn)生的彎矩。本文旨在探討在特定的條件下，以盡量合理的形式換取更多的建筑空間和經(jīng)濟效益的辦法。望有不同見解者不吝賜教。

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