部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

劉縈棣

(上海中建建筑設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200135)

1 引言

為了滿足高層建筑多功能、多用途的需要，如上部樓層為小開間的住宅或公寓，下部樓層為大開間的商場(chǎng)、餐館或停車場(chǎng)，可以采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)來滿足建筑的功能需求。部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)屬于一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)有專門的技巧與規(guī)定。

2 框支剪力墻的結(jié)構(gòu)布置

2.1 上部結(jié)構(gòu)與框支柱的布置

大部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)的上部功能為住宅、下部功能為大型商業(yè)、開敞式辦公等要求大空間的結(jié)構(gòu)。本文以某上部為住宅，下部為架空層的工程為例，介紹框支剪力墻的結(jié)構(gòu)布置要點(diǎn)。該工程為地上33 層，地下2 層的住宅。建筑方案要求首層為架空層，要有良好的通透性和寬敞的活動(dòng)空間。地下一層為私人會(huì)所，地下二層為停車庫(kù)，主樓投影范圍內(nèi)要求能盡量多地留出停車的空間。因此，本工程要求采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)。

首先，根據(jù)建筑的平面，按常規(guī)的剪力墻結(jié)構(gòu)初步布置剪力墻，如圖1所示。

剪力墻落在框支框架梁上的稱為直接轉(zhuǎn)換，也稱為主梁轉(zhuǎn)換；剪力墻通過次梁轉(zhuǎn)換的稱為次梁轉(zhuǎn)換，框支框架的軸線應(yīng)盡量與上部剪力墻的主軸線對(duì)齊。在框支剪力墻設(shè)計(jì)中，應(yīng)優(yōu)先由采用主梁轉(zhuǎn)換。框支柱的間距太小將會(huì)影響底部幾層建筑的使用，但框支柱間距太大會(huì)使框支梁的高度太高，影響建筑的凈高。因此，框支柱的間距一般宜在6～10 m。樓梯間、電梯井的剪力墻由于建筑功能的要求是可以直接連續(xù)貫通落地的，通常是不需要轉(zhuǎn)換的。根據(jù)上述原則，結(jié)合底部架空層建筑功能的需要，先初步布置框支柱的位置，如圖2所示。

2.2 上部結(jié)構(gòu)的剪力墻布置優(yōu)化

確定好框支柱的柱網(wǎng)后，需要對(duì)上部剪力墻進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。首先，將非主框支梁上方的剪力墻去掉或縮短，因?yàn)榇瘟恨D(zhuǎn)換的受力更復(fù)雜，所以盡量采用主梁轉(zhuǎn)換。其次，將主框支梁上方的剪力墻之間的洞口盡量去除。

2.3 轉(zhuǎn)換梁的布置

轉(zhuǎn)換梁的布置除了應(yīng)滿足JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[1](以下簡(jiǎn)稱 《高規(guī)》）10.2.8 條的規(guī)定以外，轉(zhuǎn)換梁的中線也與上部剪力墻的中心線重合，否則偏心布置的剪力墻會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)換梁產(chǎn)生非常大的扭矩，使轉(zhuǎn)換梁處于彎剪扭的復(fù)雜受力狀態(tài)。對(duì)于采用部分框支剪力墻的建筑，在方案階段就需要考慮框支梁、框支柱凸出上部結(jié)構(gòu)投影范圍的問題?？蛑Я旱慕孛娓叨韧ǔＪ怯闪旱目辜舫休d力決定的。上部樓層數(shù)越多，轉(zhuǎn)換梁所需要的截面也越大，相應(yīng)的，轉(zhuǎn)換層所需要的層高也就越高。轉(zhuǎn)換層的層高也對(duì)建筑有著很大的影響，在方案階段宜進(jìn)行結(jié)構(gòu)試算來確定轉(zhuǎn)換梁的高度。

圖3中的虛線表示轉(zhuǎn)換梁，粗實(shí)線為上部結(jié)構(gòu)的剪力墻，灰色構(gòu)件為落地剪力墻與轉(zhuǎn)換柱。

2.4 落地剪力墻的布置

由于框支框架的轉(zhuǎn)換，框支層上下豎向構(gòu)件不連續(xù)，框支層上下剛度不連續(xù)，底部框架的抗側(cè)剛度較上部的剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度弱很多。因此，《高規(guī)》規(guī)定，在底部框支框架層應(yīng)布置一定數(shù)量的落地剪力墻，以提高框支剪力墻結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)能力。《高規(guī)》對(duì)轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度有相應(yīng)規(guī)定，也對(duì)落地的剪力墻有相應(yīng)要求。

除了規(guī)范規(guī)定的落地剪力墻的布置要求，在實(shí)際工程應(yīng)用中還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：(1）建筑上下貫通的樓梯間、電梯井是布置落地剪力墻的首選位置；(2）宜優(yōu)先選擇上部剪力墻貫通落地，這樣才能使底部剪力墻在大軸力的作用下有更高的抗剪承載力；(3）落地剪力墻在X、Y 兩個(gè)方向都應(yīng)布置，而且兩個(gè)方向的結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度應(yīng)相近；(4）落地剪力墻軸線應(yīng)盡量與框支框架梁軸線重合，形成帶邊框的剪力墻；(5）在保證框支層抗剪承載力、框支框架承擔(dān)的地震傾覆力矩百分比和樓層層間最大位移與層高之比滿足現(xiàn)行有關(guān)規(guī)定的基礎(chǔ)上，落地剪力墻的數(shù)量最少即為合理。

2.5 其他注意事項(xiàng)

(1）轉(zhuǎn)換層樓板厚度，應(yīng)滿足《高規(guī)》10.2.23 條的規(guī)定。(2）轉(zhuǎn)換梁的受力以剪切變形為主。為了提高轉(zhuǎn)換梁的抗剪承載力，通常轉(zhuǎn)換梁的混凝土強(qiáng)度等級(jí)可取C40～C45。當(dāng)轉(zhuǎn)換梁截面高度受限、地震烈度較高時(shí)，可以將轉(zhuǎn)換梁設(shè)置成型鋼混凝土梁。(3）如果轉(zhuǎn)換梁與設(shè)備管道井重疊，則需要在轉(zhuǎn)換層上一層將管道井放大，或者采用增厚建筑面層做同層排水處理，以此避免管道穿轉(zhuǎn)換梁，削弱轉(zhuǎn)換梁的剛度和受剪承載力。

3 部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)計(jì)算重點(diǎn)

3.1 部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)

提高結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的抗震承載力和變形能力是提高結(jié)構(gòu)抗震性能的有效途徑。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，提高關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)的抗震安全性是抗震性能化設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要手段。

框支梁和框支柱在部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)中屬于重要的“關(guān)鍵”結(jié)構(gòu)構(gòu)件，因此，參考GB 50011—2001《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2016年版）[2]3.10 條以及附錄M，對(duì)框支梁和框支柱宜按“中震彈性”或“中震不屈服”設(shè)計(jì)。對(duì)應(yīng)的性能目標(biāo)就是在設(shè)防烈度地震(“中震”）作用下，框支梁及框支柱仍處理彈性或不屈服的狀態(tài)。

3.2 采用多種計(jì)算模型進(jìn)行不同目標(biāo)的分析

3.2.1 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算

部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)屬于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，計(jì)算時(shí)應(yīng)采用兩種空間分析軟件，對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析比較，以保證力學(xué)分析的可靠性。計(jì)算地震作用時(shí)采用考慮空間扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的振型分解反應(yīng)譜法。

在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體指標(biāo)計(jì)算時(shí)，采用全樓剛性樓板假定。計(jì)算結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層上、下側(cè)向剛度比，以滿足規(guī)范要求；結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用非強(qiáng)制剛性樓板假定，計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，然后進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)。

3.2.2 彈性時(shí)程分析

《高規(guī)》第5.1.13 條規(guī)定：“抗震設(shè)計(jì)時(shí)，復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)采用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算”。當(dāng)時(shí)程分析得到的剪力值大于振型分解反應(yīng)譜計(jì)算的結(jié)果時(shí)，應(yīng)在振型分解反應(yīng)譜中通過剪力放大系數(shù)把相當(dāng)樓層的剪力放大。

3.2.3 彈塑性靜力或彈塑性動(dòng)力分析

彈塑性靜力或彈塑性動(dòng)力分析是實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)計(jì) “大震不倒”目標(biāo)的基本分析方法。結(jié)構(gòu)在大震作用時(shí)，結(jié)構(gòu)變形加大，部分構(gòu)件進(jìn)入塑性狀態(tài)，其P-Δ 效應(yīng)已經(jīng)不能忽略，幾何非線性程度加大，此時(shí)已經(jīng)不能再采用線彈性分析的方法[3]。所以規(guī)范要求對(duì)于復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)宜采用彈塑性靜力或彈塑性動(dòng)力分析方法補(bǔ)充計(jì)算。

3.3 計(jì)算中模型的參數(shù)設(shè)置

(1）在計(jì)算軟件(PKPM、YJK）中應(yīng)在前處理模塊中指定“轉(zhuǎn)換柱”“轉(zhuǎn)換梁”；(2）轉(zhuǎn)換梁應(yīng)該考慮軸向變形的影響，計(jì)算時(shí)轉(zhuǎn)換層樓板定義為彈性樓板，考慮樓板的面內(nèi)剛度，計(jì)算轉(zhuǎn)換梁軸力；(3）框支轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)屬于豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)換層強(qiáng)制定義為薄弱層，薄弱層放大系數(shù)按10.2.4 條選取，此時(shí)與結(jié)構(gòu)剛度比值無關(guān)；(4）轉(zhuǎn)換層梁剛度放大系數(shù)，宜取為1.0；(5）為了使轉(zhuǎn)換梁與上部剪力墻變形協(xié)調(diào)更加合理，墻元細(xì)分最大控制長(zhǎng)度應(yīng)盡量取小，宜取1 m。

3.4 轉(zhuǎn)換梁的應(yīng)力分析

根據(jù)《高規(guī)》10.1.5 條的規(guī)定：“復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)中的受力復(fù)雜部位，尚宜進(jìn)行應(yīng)力分析，并按應(yīng)力進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)校核?！?/p>

在各種常用的結(jié)構(gòu)分析軟件中，都對(duì)框支梁的應(yīng)力分析有專門的計(jì)算手段。例如，在PKPM 中建模時(shí)可以用墻體代替轉(zhuǎn)換梁，然后程序會(huì)將轉(zhuǎn)換梁同剪力墻一樣劃分單元進(jìn)行計(jì)算，然后再按梁配筋計(jì)算結(jié)果的形式顯示；YJK 在后處理中指定了“轉(zhuǎn)換梁”以后，會(huì)自動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行單元?jiǎng)澐植⑦M(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。

4 轉(zhuǎn)換層的施工注意要點(diǎn)

4.1 混凝土模板支撐工程

框支層的層高通常都在5 m 以上，因此，框支梁屬于一項(xiàng)危大工程?？蛑Я旱慕孛嫱ǔ６急容^大，框支梁的模板屬于承受超重荷載的模板，必須對(duì)模板工程進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，必須對(duì)模板工程安裝編制專項(xiàng)方案，來控制施工過程安全與質(zhì)量問題。若采用常規(guī)模板支撐靠下層結(jié)構(gòu)支撐施工荷載，必須經(jīng)過計(jì)算，如果超過樓板的設(shè)計(jì)荷載，則應(yīng)將支撐撐至地下室底板。

4.2 混凝土工程

框支梁和框支柱的鋼筋配筋量通常很大，有時(shí)還會(huì)配置鋼骨，因此，框支梁和框支柱的混凝土可將骨料粒徑適當(dāng)減小。

框支梁通常都屬于大體積混凝土，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明中注明大體積混凝土的施工要求。施工前應(yīng)做好施工組織，分段分層澆筑時(shí)嚴(yán)禁出現(xiàn)冷縫，澆筑時(shí)應(yīng)分層振搗密實(shí)。梁柱混凝土強(qiáng)度不同時(shí)應(yīng)做好接茬處理，保證節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的混凝土強(qiáng)度與澆筑質(zhì)量。

5 結(jié)語

本文以某框支剪力墻結(jié)構(gòu)為例，論述了上部剪力墻布置與框支梁、框支柱布置、計(jì)算和設(shè)計(jì)的方法和要點(diǎn)，在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行多種方案比例，以得到安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、合理的結(jié)構(gòu)。