淺談部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計要點與難點

樊爽

淺談部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計要點與難點

樊爽

隨著城市高層建筑的日漸增多，對建筑結(jié)構(gòu)也提出了更高的質(zhì)量要求。高層建筑采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)可以滿足商住樓底部大空間的使用要求，而上部采用剪力墻結(jié)構(gòu)可以避免房間里出現(xiàn)框架柱，使房間美觀且實用。本文針對部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計要點與難點進(jìn)行研究。

一、引言

目前，高層建筑結(jié)構(gòu)中，框支剪力墻結(jié)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用，使建筑功能得以充分發(fā)揮?？蛑Ъ袅Y(jié)構(gòu)屬于復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)設(shè)計，在應(yīng)用框支剪力墻結(jié)構(gòu)的過程中，要高度重視建筑質(zhì)量，建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)合理設(shè)計，以確保建筑的使用安全。

二、工程概況

某項目位于陜西省漢中市略陽縣，該縣城屬于典型的山城地貌，寸土寸金。臨街位置需要大型商業(yè)建筑，建筑功能1、2層為商場，3、4層為辦公，從5層到27層為居民住宅，地下兩層為車庫。經(jīng)過剪力墻、框架剪力墻、框支剪力墻等各種方案論證，最終采用框支剪力墻結(jié)構(gòu)來滿足功能要求且使該項目利潤最大化。整個工程項目的總面積為7萬平方米，采用樁筏基礎(chǔ)，整個建筑高度為88.30米。安全等級為二級。本建筑的使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為7度。將地上4層頂設(shè)置為轉(zhuǎn)換層，采用梁式轉(zhuǎn)換，由于轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)所受到的地震力比較復(fù)雜，要確?？蛑ЫY(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)的安全可靠，就要對轉(zhuǎn)換層進(jìn)行科學(xué)合理地設(shè)計。

三、建筑結(jié)構(gòu)的布置

由于本工程1～4層為商場、辦公，需要大的空間。將地上4層頂設(shè)置為轉(zhuǎn)換層，確保地上的1～4層的空間擴(kuò)大。

較為常見的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)有箱式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)以及厚板轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)等等。在結(jié)構(gòu)布置的時候，要求平面設(shè)計不僅合理，而且受力要均衡。為了避免產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的問題，就要求結(jié)構(gòu)平面的剛心和質(zhì)心接近。在設(shè)計中，對地上4層的剪力墻進(jìn)行了科學(xué)調(diào)整，包括框支柱、轉(zhuǎn)換梁所在位置經(jīng)過調(diào)整之后都得以優(yōu)化。其中，對豎向結(jié)構(gòu)進(jìn)行布置的時候，需要進(jìn)行大量的試算，主要是對轉(zhuǎn)換層上部和轉(zhuǎn)換層下部的剛度比予以控制，以使其滿足高規(guī)附錄E的規(guī)定。在框支剪力墻結(jié)構(gòu)中很容易產(chǎn)生上面剛度大而下面較為柔弱的現(xiàn)象，就需要對轉(zhuǎn)換層下部剛度進(jìn)行增加，相應(yīng)地，將轉(zhuǎn)換層上部的剛度減弱，以確保轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)符合設(shè)計規(guī)定。

四、建筑結(jié)構(gòu)的分析

1.結(jié)構(gòu)整體抗扭的控制以及平面不規(guī)則控制中要重視位移比

結(jié)構(gòu)整體抗扭的控制以及平面不規(guī)則控制中需要注意兩個方面的問題，其一，樓層的豎向構(gòu)件所產(chǎn)生的水平方向的位移最大值與水平位移平均值之間的比值；其二，在考慮5%偶然偏心影響的規(guī)定水平地震作用下，樓層的豎向構(gòu)件所產(chǎn)生的層間位移的最大值與層間產(chǎn)生位移的平均值之間的比值，此比值不宜大于1.2，不應(yīng)大于1.5，當(dāng)大于1.2時須考慮雙向地震作用。

2.結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的控制需要重視周期比

周期比就是指第一自振周期之間的比值，即結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之間的比，這是一項重要的指標(biāo)，可以反映出結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的剛度以及在扭轉(zhuǎn)的過程中所產(chǎn)生的慣量值。結(jié)構(gòu)可采用剛性樓板假定計算周期比。如果周期比大于0.9，就可以證明結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了明顯的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，就意味著結(jié)構(gòu)的抗震性能是比較差的。在調(diào)整周期比的過程中，需要合理布局結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件，要不拘泥均勻布局，抗側(cè)力構(gòu)件應(yīng)盡量對稱，要使結(jié)構(gòu)中間位置的剛度有所減低，比如減少墻肢、縮小截面；同時，結(jié)構(gòu)周邊的剛度要有所增加，比如增大外圍、邊角的梁、柱截面，加大加長剪力墻。

3.結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則性的控制以及薄弱層的判斷需要重視層間剛度

控制好層間的剛度是非常必要的。各層的剛度都要滿足設(shè)計要求，特別是轉(zhuǎn)換層與相鄰的上層結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比值要符合高規(guī)附錄E。在整個高層建筑中，轉(zhuǎn)換層都屬于薄弱層，需要根據(jù)轉(zhuǎn)換層位置，合理判斷上下層剪切和剪彎剛度的比值。

4.抗震設(shè)計中要重視剪重比

抗震設(shè)計中要重視剪重比。如果剪重比不夠，就意味著結(jié)構(gòu)上存在薄弱部位，就需要做好調(diào)整工作，剪重比不足一般存在于結(jié)構(gòu)下部，應(yīng)采取加強豎向構(gòu)件、增加抗側(cè)力構(gòu)件或加大截面來調(diào)整。在計算剪重比時，要求振型個數(shù)要充足，使質(zhì)量系數(shù)要超過0.9。

5.結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的控制要重視剛重比

剛重比就是結(jié)構(gòu)剛度與重力荷載之間的比值，該指標(biāo)較容易滿足要求，如未能滿足須考慮重力二階效應(yīng)，才能夠確保結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定。

6.按照有關(guān)規(guī)定對轉(zhuǎn)換梁和框支柱進(jìn)行調(diào)整以提高其抗震性

對結(jié)構(gòu)的抗震性進(jìn)行調(diào)整，要重點考慮轉(zhuǎn)換梁的豎向地震作用。對轉(zhuǎn)換柱以及轉(zhuǎn)換梁的確定，可以在特殊構(gòu)件里點擊修改，并根據(jù)計算結(jié)果對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力進(jìn)行調(diào)整。

7.結(jié)構(gòu)計算

復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)采用彈性時程分析法進(jìn)行補充計算，宜采用彈塑性靜力或彈塑性動力分析方法補充計算。本工程采用SATWE和PMSAP分別計算，在均滿足規(guī)范要求的情況下按包絡(luò)設(shè)計。

五、提高框支剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能需要采取的技術(shù)措施

本建筑共27層，轉(zhuǎn)換層位于4層頂，屬于高位轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，無論是平面布置，還是豎向布置，都需要采取相應(yīng)的技術(shù)措施，以提高建筑的抗震性能。

1.框支框架、剪力墻結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)措施

本工程各構(gòu)件抗震等級的確定，由于轉(zhuǎn)換層位于4層頂，超過三層，因此1～4層框支柱、剪力墻抗震等級須提高一級為特一級，1～4層框架梁為一級；5、6層為加強區(qū)，剪力墻等級為特一級；7層以上剪力墻為二級。在正確確定抗震等級的前提下合理按規(guī)范要求進(jìn)行計算，并注意各個抗震等級下縱筋、箍筋最小值及配筋率等構(gòu)造要求。

2.框支剪力墻結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層以及其上層樓板和下層樓板的設(shè)計

轉(zhuǎn)換層以及其上層樓板和下層樓板的設(shè)計是不同的。下層樓板的落地剪力墻剛度與框支柱剛度之間存在著差異，通常剪力都在落地剪力墻處集中，導(dǎo)致荷載增加，使得轉(zhuǎn)換層突變。上層樓板的水平剪力分布在剪力墻上，與剛度成比例。只有當(dāng)轉(zhuǎn)換層達(dá)到規(guī)定的剛度，上層樓板和下層樓板的剪力分配不同，所產(chǎn)生的變化位置也會有所不同，所以轉(zhuǎn)換層樓板選擇厚度為180毫米，通長配筋并提高配筋率。上、下層樓板厚度采用150毫米，也采用通長配筋。這樣可以確保上下樓層剪力的均勻變化。

3.上部剪力墻的設(shè)計

轉(zhuǎn)換層上部剪力墻的平面布置應(yīng)盡量設(shè)置在一級轉(zhuǎn)換梁上、盡量避免出現(xiàn)二級轉(zhuǎn)換，這樣可使上部剪力墻落在剛度較大的轉(zhuǎn)換梁上，計算上也容易滿足各個規(guī)范指標(biāo)。轉(zhuǎn)換層上層剪力墻應(yīng)增大配筋率，并滿足施工縫驗算要求?？蛑е谏喜繅w范圍內(nèi)的縱向鋼筋應(yīng)伸入上部墻體內(nèi)不少于一層。

六、結(jié)語

綜上所述，目前的高層建筑越來越多，使用框支剪力墻結(jié)構(gòu)，不僅下部能夠?qū)崿F(xiàn)框架剪力墻的大空間使用要求，同時上部房間又能體現(xiàn)出剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，使建筑功能得以最優(yōu)化，而且能使建筑項目達(dá)到最大效益。但是，這種框支剪力墻結(jié)構(gòu)存在著抗震能力低的缺陷，這就需要在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中對抗震問題特別關(guān)注，優(yōu)化轉(zhuǎn)換層上、下部結(jié)構(gòu)的布置，確保設(shè)計方案合理。從建筑實用性的角度進(jìn)行設(shè)計，有助于更好地完成設(shè)計目標(biāo)。

（作者單位：陜西省現(xiàn)代建筑設(shè)計研究院）