高層綜合樓框架—剪力墻結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)

耿 慧 玲

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030013)

高層綜合樓框架—剪力墻結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)

耿 慧 玲

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030013)

在設(shè)計(jì)某一高層文體中心辦公樓及附屬商業(yè)綜合樓過(guò)程中，討論鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)，分析遇到的問(wèn)題，得出合理妥善的解決方案，從而達(dá)到安全適用、經(jīng)濟(jì)合理的目的。

概念設(shè)計(jì)，優(yōu)化比較，剛度突變

0 引言

在高層住宅的各類結(jié)構(gòu)體系中，為了滿足高層公建房屋大空間的需要和凈高要求，框架—剪力墻結(jié)構(gòu)作為一種可靠有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系，在實(shí)際工程上得到了廣泛的推廣和應(yīng)用?？蚣艚Y(jié)構(gòu)中，集剪力墻較大的抗側(cè)力剛度，框架較好的延性，連梁優(yōu)良耗能的特性等優(yōu)點(diǎn)組合而成，具有多道抗震防線，從國(guó)內(nèi)外歷史經(jīng)受地震后震害調(diào)查表明，確為一種抗震性能較好的結(jié)構(gòu)體系。

在高層框剪結(jié)構(gòu)中，剪力墻布置的多少是最重要的經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中，剪力墻的布置，應(yīng)該使結(jié)構(gòu)具備相當(dāng)?shù)膫?cè)向剛度，以此來(lái)滿足結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移變形要求，墻體自身也應(yīng)該滿足承載力要求。若剪力墻布置過(guò)多，增加了結(jié)構(gòu)自重，減小了結(jié)構(gòu)的自振周期，地震作用效應(yīng)也相應(yīng)增大，造成了工程造價(jià)的浪費(fèi)。若剪力墻布置過(guò)少，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)位移太大，而無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。所以框架—剪力墻結(jié)構(gòu)中，建筑的經(jīng)濟(jì)性和安全性主要取決于剪力墻的平面布置方案。

1 工程概況

本工程為山西省榆次區(qū)神農(nóng)文體中心A座公寓式辦公及商業(yè)附屬樓，位于榆次區(qū)東南角136號(hào)地塊。本工程主樓地下1層，層高為5.2 m,設(shè)有設(shè)備層，設(shè)備層層高為1.8 m；地上19層，主樓1層層高為5.4 m，2層層高為4.8 m，3層～19層層高均為3.9 m(其中第8層層高6.1 m)。室內(nèi)外高差為0.300 m,建筑高度為79.000 m。地下1層為平戰(zhàn)結(jié)合人防工程。主樓與裙樓之間設(shè)置抗震縫。

裙房地下1層層高為5.2 m，設(shè)有設(shè)備層，設(shè)備層層高1.8 m；地上4層,1層層高為5.1 m，2層層高為4.8 m，3層，4層層高均為3.9 m。

建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類, 地面粗糙度類別C類,基本風(fēng)壓修正后為0.44 kN/m2，建筑抗震設(shè)防類別為丙類?？拐鹪O(shè)防烈度為8度(0.20g)，設(shè)計(jì)地震分組為第二組。主樓部分：剪力墻、框架抗震等級(jí)為一級(jí)；商業(yè)附屬樓部分：框架抗震等級(jí)為二級(jí)。由下至上，框架柱截面尺寸為700 mm×700 mm～1 000 mm×1 000 mm，剪力墻厚度為250 mm～300 mm，框架梁主要截面為400 mm×800 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30～C45。

2 結(jié)構(gòu)方案的確定

2.1 結(jié)構(gòu)選型

主樓1層為主力商鋪、管理用房、消防控制室、門廳，2層為主力商鋪、管理用房，3層～21層為公寓式辦公。裙樓為商業(yè)附屬樓，地下1層為柴發(fā)、低壓配電室、弱電間、報(bào)警閥室及計(jì)量間，地上為4層,1層～3層為體育商城，4層為游泳館。為了滿足大空間的需要和凈高要求，結(jié)構(gòu)形式主樓為鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，裙樓為框架結(jié)構(gòu)。

依據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，框架—剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻布置應(yīng)符合以下要求：

1)剪力墻平面布置遵循規(guī)則。

抗震設(shè)計(jì)時(shí)，剪力墻的布置原則是要形成雙向抗側(cè)力體系，所以應(yīng)該在X，Y兩個(gè)方向同時(shí)均勻布置剪力墻。剪力墻宜均勻布置在建筑物的四周、電梯間、樓梯間以及在平面形狀變化及恒載較大的部位。框架柱與剪力墻或框架梁與框架柱的中線應(yīng)盡量保持重合。

2)剪力墻豎向布置遵循規(guī)則。

剪力墻宜盡量貫通建筑物整個(gè)高度范圍，避免剛度突變，若是需要開(kāi)洞，洞口應(yīng)盡量上下對(duì)齊。底部剪力墻承受壓力最大，為了滿足軸壓比的要求，底部剪力墻加厚，上部剪力墻承受壓力小，剪力墻的厚度相對(duì)較薄，剪力墻厚度豎向應(yīng)均勻變化，防止帶來(lái)剛度突變。

2.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1)主樓要點(diǎn)。

由于主樓底部?jī)蓪拥慕Y(jié)構(gòu)使用功能與上部不一致，導(dǎo)致剪力墻平面布置位置受限，經(jīng)綜合考慮，樓電梯間可以設(shè)置一部分剪力墻，另外，為滿足建筑外立面的需求，排除在建筑四周設(shè)置剪力墻的可能，需另外選取臨近周邊位置的內(nèi)隔墻布置一部分剪力墻。

2)裙樓要點(diǎn)。

首先裙樓因1層、2層中庭部分開(kāi)大洞，形成兩層通高的柱子，并對(duì)整層樓板剛度有極大的削弱；其次，頂層設(shè)置游泳館，水池區(qū)域內(nèi)，框架柱全部拔除，形成24 m×31.8 m的大空間，結(jié)構(gòu)平面布置形式需重新確定。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果首先查看框架柱、剪力墻在豎向荷載下的軸壓比，配筋情況，其次結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果應(yīng)符合《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于位移比、層間位移、周期比等相關(guān)整體計(jì)算指標(biāo)的要求。通過(guò)調(diào)整剪力墻墻肢長(zhǎng)度、厚度，框架柱截面及混凝土強(qiáng)度等級(jí)，最終達(dá)成剪力墻平面布置規(guī)則、勻稱，剛度適中，主要受力構(gòu)件承載力滿足要求，整體計(jì)算指標(biāo)大部分滿足要求。唯獨(dú)存在第8層指標(biāo)異常，8層與9層剛度比值遠(yuǎn)小于1.1，扭轉(zhuǎn)位移偏大，最大層間位移與平均層間位移比值為1.38。經(jīng)分析，主樓第8層層高6.1 m，大于相鄰上層層高3.9 m的1.5倍，存在剛度突變。

1)一次優(yōu)化設(shè)計(jì)。

首先，增加結(jié)構(gòu)周邊的剪力墻數(shù)量，加厚周邊剪力墻的厚度，從而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)周邊的剛度，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)整體的扭轉(zhuǎn)剛度。其次，有針對(duì)性地加大8層以下的剪力墻及框架柱的截面，減小9層以上的剪力墻及框架柱的截面。經(jīng)計(jì)算后指標(biāo)有所改善，但仍未達(dá)到規(guī)范限制要求。

2)二次優(yōu)化設(shè)計(jì)。

從整體結(jié)構(gòu)平面布置來(lái)看，在結(jié)構(gòu)樓電梯間剪力墻布置較多，剛度較大，且樓電梯間位于結(jié)構(gòu)中間區(qū)域，考慮減少樓電梯間局部的剪力墻，使得結(jié)構(gòu)的平動(dòng)周期增大，進(jìn)而間接達(dá)到減小周期比、位移比的要求。

最終結(jié)構(gòu)主要計(jì)算指標(biāo)如下：底層框架部分，X，Y軸方向承擔(dān)的抗傾覆力矩均在10%～50%范圍，按框剪結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，初始定的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震等級(jí)準(zhǔn)確。地震作用下，X方向最大層間位移角1/910,Y方向最大層間位移角1/890。在考慮偶然偏心的情況下，最大層間位移與平均層間位移比均小于1.2。8層與9層的側(cè)向剛度比值為1.23，滿足規(guī)范大于1.1的要求。

裙樓設(shè)計(jì)，首先，裙樓1層,2層，整層樓面平面狹長(zhǎng)，且中庭及扶梯開(kāi)了較大的洞口，使樓板剛度大幅削弱，對(duì)整層樓板變形產(chǎn)生不利的影響，經(jīng)核算，樓板開(kāi)洞尺寸小于樓面寬度的一半，開(kāi)洞總面積小于總面積的30%，并且在扣除開(kāi)洞面積后，開(kāi)洞每一邊的樓板凈寬度均不小于2 m。加強(qiáng)措施如下：

1)加厚削弱部分的樓板至h=120 mm，樓板采用雙層雙向配筋，配筋率也適當(dāng)提高；

2)洞口角部集中配置斜向鋼筋；

3)洞口周邊設(shè)置邊梁。其次頂層游泳館大空間的樓蓋形式經(jīng)初步計(jì)算后，選用單向密肋梁樓蓋。由于泳池周邊走道架空層較高，考慮泳池范圍層高局部由4.7 m增高至5.3 m，經(jīng)計(jì)算分析，單向密肋梁樓蓋形式能滿足建筑層高的要求。

本工程主樓結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

4 細(xì)部設(shè)計(jì)

4.1 剪力墻設(shè)計(jì)

為了滿足剪力墻穩(wěn)定性和抗震設(shè)計(jì)的要求，剪力墻厚度經(jīng)計(jì)算確定為300 mm，因剪力墻墻肢較長(zhǎng)，剛度較大，超筋現(xiàn)象嚴(yán)重。采取在剪力墻上開(kāi)洞的措施，削弱過(guò)于集中的墻肢剛度，計(jì)算結(jié)果顯示，剪力墻仍有局部超筋現(xiàn)象。通過(guò)調(diào)整剪力墻墻肢長(zhǎng)度、厚度和提高混凝土標(biāo)號(hào)的方式，來(lái)解決剪壓比及軸壓比超限的問(wèn)題。通過(guò)在施工縫處附加豎向配筋，來(lái)解決施工縫驗(yàn)算超限問(wèn)題。

4.2 梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

綜合樓第8層層高為6.1 m，大于相鄰上層層高3.9 m的1.5倍，最終計(jì)算結(jié)果中，8層與9層的側(cè)向剛度比值為1.23，滿足了指標(biāo)要求，但存在框架梁柱節(jié)點(diǎn)域抗剪超限的情況，采取以下加強(qiáng)措施:1)加大梁柱節(jié)點(diǎn)截面，在梁柱節(jié)點(diǎn)處增設(shè)梁水平加腋；2)在梁柱節(jié)點(diǎn)處框架柱內(nèi)增設(shè)型鋼，來(lái)提高框架柱抗剪能力，以此來(lái)解決節(jié)點(diǎn)域抗剪超限的問(wèn)題。

4.3 連梁設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中，連梁主要受水平荷載，考慮使其首先出現(xiàn)塑性鉸，產(chǎn)生塑形破壞，吸收地震能量，使結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布。在計(jì)算過(guò)程中，通過(guò)降低連梁高度、加寬洞口尺寸等措施，容許連梁開(kāi)裂，對(duì)連梁剛度進(jìn)行折減，來(lái)降低連梁的剛度，以此來(lái)解決連梁超筋的問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)構(gòu)方案布置是否得當(dāng)，直接關(guān)系到房屋建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性與可靠性，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一定要綜合考慮，注重概念設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)設(shè)置多道抗震防線，使結(jié)構(gòu)體系具備相當(dāng)?shù)某休d能力和抗震能力；對(duì)結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)的薄弱層，采取合理的設(shè)計(jì)方案和加強(qiáng)措施。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化，使材料最大程度地發(fā)揮性能，從而達(dá)到安全適用、經(jīng)濟(jì)合理的目的。

[1] JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Conceptualdesignofframeshearwallstructureforhigh-risebuilding

GengHuiling

(ArchitecturalDesignandResearchInstituteofShanxiProvince,Taiyuan030013,China)

In the design of the office building of a high-level sports center and affiliated commercial building process, discussed the conceptual design of reinforced concrete frame shear wall structure, analysis of the problems encountered, the reasonable solution properly, so as to achieve safe, economical and reasonable.

conceptual design， optimization comparison, stiffness mutation

2017-06-04

耿慧玲(1984- )，女，工程師

TU398.2

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