探討住宅框支剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

向濤

摘要：相對于框架結(jié)構(gòu)，剪力墻結(jié)構(gòu)既可以保證結(jié)構(gòu)安全可靠性，又可以使室內(nèi)空間合理、墻面平整，所以高層建筑結(jié)構(gòu)中越來越多地采用剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻的受力、變形特征，類似于框剪結(jié)構(gòu)，但比框剪結(jié)構(gòu)的剛度分配、內(nèi)力分配更合理，結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)導(dǎo)致的豎向位移差別，也比框剪結(jié)構(gòu)小，則傳基礎(chǔ)荷載更均勻、合理。

關(guān)鍵詞：高層住宅框支；剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計；原則

引言

局部框支剪力墻結(jié)構(gòu)雖然框支部分很少，但對框支部分還應(yīng)該符合部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)的，同時又不完全符合。因此，為滿足使用功能和結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的要求，同時使剪力墻的布置和用量較為合理，結(jié)構(gòu)設(shè)計工作人員任重而道遠(yuǎn)。

1.剪力墻的概念設(shè)計

概念設(shè)計是高層建筑結(jié)構(gòu)很重要的一個環(huán)節(jié)，所謂的概念設(shè)計即盡量從宏觀上要把結(jié)構(gòu)的受力構(gòu)件布置的均勻?qū)ΨQ，使受力方向作用到構(gòu)件有利的一面，避免出現(xiàn)荷載應(yīng)力集中及剛度偏差太大而發(fā)生樓座整體扭轉(zhuǎn)的情況。剪力墻結(jié)構(gòu)常規(guī)是指墻肢截面的高度與墻體厚度的比值大于8的結(jié)構(gòu)。在布置剪力墻的時候，盡量布置成“T”形，“L”形，“十”形，“I”形等連續(xù)拐彎的墻體，避免出現(xiàn)剛度偏心和扭曲，嚴(yán)格避免設(shè)置“一”字形剪力墻，因?yàn)椤耙弧弊中渭袅Φ姆€(wěn)定性及抗震性都很差。

1.1洞口上下對齊，連梁不能過??；

1.2角窗附近不采用“一”字形及短肢剪力墻；

1.3角窗對應(yīng)的房間樓板加厚，鋼筋雙層雙向通長布置；

1.4角窗兩側(cè)的邊緣構(gòu)件沿樓座通高設(shè)置約束邊緣構(gòu)件等措施，總之，設(shè)置角窗需慎重對待。剪力墻結(jié)構(gòu)中的連梁常規(guī)是作為高層結(jié)構(gòu)中的耗能構(gòu)件。剪力墻的破壞分為脆性破壞和延性破壞。脆性破壞是指剪力墻的墻肢抗剪能力不夠而發(fā)生剪切破壞，剪力墻很快喪失承載力，甚至整個樓座突然垮塌。延性破壞一般分兩種情況：一種是連梁不屈服，墻肢發(fā)生彎曲破壞，但吸收的地震能量較低，設(shè)計中應(yīng)避免該情況出現(xiàn)；另一種情況是連梁屈服，梁端出現(xiàn)塑性鉸，耗散大量的地震能量，同樣通過塑性鉸來傳遞彎矩和剪力，這是一種理想的受力機(jī)制。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，必須十分注意連梁的延性要求。

2.梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

2.1抗震等級的確定

某工程轉(zhuǎn)換層以下為框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層以上為純剪力墻結(jié)構(gòu)，是多種結(jié)構(gòu)形式共存的復(fù)雜高層建筑，因而不能像單純的框架結(jié)構(gòu)或者剪力墻結(jié)構(gòu)那樣籠統(tǒng)地確定抗震等級，而應(yīng)該嚴(yán)格按照現(xiàn)行規(guī)范的不同章節(jié)，有針對性地分別確定結(jié)構(gòu)體系各部位不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震等級。該工程屬“框支剪力墻”結(jié)構(gòu)，地上高度79.4m，轉(zhuǎn)換層設(shè)在三層樓面（屬高位轉(zhuǎn)換），7度抗震設(shè)防，其框支框架抗震等級為一級，加強(qiáng)部位剪力墻抗震等級為一級，非底部加強(qiáng)部位剪力墻抗震等級為二級。

2.2結(jié)構(gòu)豎向布置

高層建筑的側(cè)向剛度宜下大上小，且應(yīng)避免剛度突變，然而帶轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)顯然有悖于此，因此《高規(guī)》對轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度作了專門規(guī)定。對該工程而言，屬于高位轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換層上下等效側(cè)向剛度比宜接近于1，不應(yīng)大于1.3。在設(shè)計過程中，應(yīng)把握的原則歸納起來就是要強(qiáng)化下部，弱化上部，盡量避免出現(xiàn)薄弱層?？刹捎玫姆椒ㄓ幸韵聨追N：

2.2.1與建筑專業(yè)協(xié)商，使盡可能多的剪力墻落地，必要時甚至可以在底部增設(shè)部分剪力墻（不伸上去）。這是增大底部剛度最有效的方法。除核心筒部分剪力墻在底部必須設(shè)置外，還通過與建筑專業(yè)協(xié)商，讓兩側(cè)各有一片剪力墻落地，并且北部還有一大片L型剪力墻也落地。這些措施大大增強(qiáng)了底部剛度。

2.2.2加大底部剪力墻厚度，減小上部剪力墻厚度，轉(zhuǎn)換層以下剪力墻厚度取為300～500mm，上部厚度取為200mm。

2.2.3底部剪力墻盡量不開洞或開小洞，以免剛度削弱太多。

2.2.4提高底部柱、墻混凝土強(qiáng)度等級，采用C55混凝土。

2.3結(jié)構(gòu)平面布局

工程轉(zhuǎn)換層下部為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，體形復(fù)雜，不規(guī)則；轉(zhuǎn)換層上部為純剪力墻結(jié)構(gòu)，由于建筑布置的不對稱，剪力墻的布置經(jīng)過多次試算，最后結(jié)果是質(zhì)量中心與剛度中心偏差不超過1m，結(jié)構(gòu)偏心率較小。除核心筒外，其余部位剪力墻布置分散、均勻，且盡量沿周邊布置，以增強(qiáng)整體抗扭效果。查閱計算結(jié)果，扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比為0.81，各樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移與樓層平均值的比值不大于1.4，均滿足平面布置及控制扭轉(zhuǎn)的要求?？梢姽こ唐矫娌季忠?guī)則合理，抗扭效果良好。

3.結(jié)構(gòu)設(shè)計中的計算和分析

3.1轉(zhuǎn)換體系的選取與計算

框支轉(zhuǎn)換層樓板在地震中受力變形較大，其在整體電算中的模型選擇很關(guān)鍵。由于工程轉(zhuǎn)換梁上部層數(shù)多，地震時樓板將傳遞相當(dāng)大的地震力，其在平面內(nèi)的變形是不可忽略的。因此采用彈性板或彈性膜的計算模型較為適宜。由于彈性板的平面外剛度在整體計算中已被計入，相當(dāng)于考慮了板對梁的卸荷作用，會使梁的設(shè)計偏于不安全。在進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分析時，將轉(zhuǎn)換層樓板用彈性膜單元模擬。

3.2嵌固端與轉(zhuǎn)換層樓板板厚的確定

工程以±0.000板作為嵌固端，既保證上部結(jié)構(gòu)的地震剪力通過地下室頂板傳遞到全部地下室結(jié)構(gòu)，同時能夠保證上部結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形是以地下室為參照原點(diǎn)。規(guī)范中規(guī)定：當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜壳豆潭瞬课粫r，地下室結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度與上部結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度之比不宜小于2。故地下室頂板厚度取200mm，同時，為了有效地將水平地震力傳遞給剪力墻，在應(yīng)力集中的樓層，將樓板厚度加大，轉(zhuǎn)換層樓板取180mm，與其相鄰的層也適當(dāng)加厚至150mm。考慮抗震需要，施工圖階段時更有意提高轉(zhuǎn)換層配筋率，使單層配筋率達(dá)到0.35%，以進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換層樓板和框支大梁共同作用的能力?？紤]到梁寬大于上部剪力墻的兩倍，寬度較寬，對邊轉(zhuǎn)換梁，板面鋼筋不是簡單地要求伸入梁內(nèi)滿足錨固要求即可，而是要求必須貫穿梁頂截面，以確保梁內(nèi)扭矩在板上的有效傳遞。

3.3框支柱與剪力墻底部加強(qiáng)部位墻厚的設(shè)計

框支柱作為框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系中重要的構(gòu)件，它的安全度直接決定了整棟建筑的抗震潛力，因而框支柱的延性和承載力成為設(shè)計的關(guān)鍵。框支柱應(yīng)在計算的基礎(chǔ)上，通過概念設(shè)計和抗震措施（構(gòu)造措施）進(jìn)行設(shè)計。調(diào)整框支柱總剪力不小于0.3，框支柱的抗震等級定位一級，為了增加其延性，軸壓比不超過0.4，其最小配箍特征值比一級增加0.02采用，框支層剪力墻軸壓比控制在0.6以內(nèi)，以保證剪力墻有足夠的剛度。

抗震設(shè)計時，剪力墻的底部加強(qiáng)部位包括底部塑性鉸范圍及其上部的一定范圍，其目的是在此范圍內(nèi)采取增加構(gòu)造邊緣構(gòu)件箍筋和墻體橫向鋼筋等必要的抗震加強(qiáng)措施，避免脆性的剪切破壞，改善整個結(jié)構(gòu)的抗震性能。針對本工程結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，設(shè)計中有以下兩點(diǎn)特別之處。

3.4轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比的確定

工程實(shí)踐中，框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系是對結(jié)構(gòu)本身來說是很不利的，為了加大底部大空間樓層的抗側(cè)剛度，使上下剛度接近，《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：需要抗震設(shè)防時，轉(zhuǎn)換層上下剛度比不應(yīng)大于2，同時不應(yīng)小于1。為了滿足此要求，對底部的落地芯筒及少量的落地剪力墻均予以加厚，落地芯筒周邊墻體加厚至300mm（上部為250mm），少量的落地剪力墻加厚至400mm（上部為250mm），同時轉(zhuǎn)換層以下的混凝土強(qiáng)度等級定位C45（上部為C35），最終大部分單元剛度比均控制在1.4左右，只有少數(shù)單元較大，但也控制在1.8以內(nèi)。

由于高層結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換層的出現(xiàn)，沿建筑物高度方向剛度的均勻性會受到很大的破壞，力的傳遞途徑會有很大的改變。如何計算轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比是帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須解決的主要問題。

4.結(jié)束語

總之，由于剪力墻結(jié)構(gòu)簡潔、寬敞，使用功能好，為住戶 的自行改造增大了靈活性，加大了使用面積，在高層住宅中的 運(yùn)用將會越來越廣泛。由于具有較好的抗震性能，且結(jié)構(gòu)布置靈活、造價低、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，使我們在設(shè)計中 更加注重各方面的優(yōu)化設(shè)計，方可使結(jié)構(gòu)在整體上安全合理，保證高層建筑的安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 林紅娟. 淺談高層建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計[J]. 中國高新技術(shù)企業(yè)，2008，19

[2] 馮蕓. 談小高層住宅的剪力墻設(shè)計與概念設(shè)計[J]. 陜西建筑，2009，08

[3] 班奇志. 淺談高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計及高層建筑結(jié)構(gòu)體系[J]. 沿海企業(yè)與科技，2009，02