淺談住宅樓框支剪力墻結構設計

呂慶陽

洛陽有色金屬加工設計研究院，河南 洛陽 471039

0 引言

部分框支剪力墻結構是由落地剪力墻或剪力墻筒體和框支柱組成的協同工作結構體系。這類結構類型由于底部幾層有較大的空間，能適用于各種建筑的使用功能要求。因此，廣泛應用于底層為商店、餐廳、車庫、機房，上部為住宅、公寓、飯店、綜合樓等高層建筑。但是，這種結構在受力上也有明顯的缺點：傳力不直接，結構豎向剛度變化很大，甚至是突變，地震作用下易形成結構薄弱層，加上構造復雜，給結構設計帶來較大難度。為了滿足建筑功能的要求，結構必須設置轉換層進行結構轉換柱下部大空間框支剪力墻結構可以在建筑物下部形成一層或多層的大空間，通過結構轉換層，用框架柱代替剪力墻以滿足建筑功能的要求。

1 工程簡介

建業洛陽森林半島住宅小區27號住宅樓建于洛南新區，英才路與北苑路之間。該樓建筑面積12980m2，其中人防地下室1層，層高4.6m，裙房2層，層高分別為5.1m，5.4m，3層以上為住宅，層高為3.0m。地面以上共19層，總高 61.8m。地面以上1、2層為商業用房，需要盡可能大的自由靈活空間，3層以上為住宅。因此，結構體系采用部分框支剪力墻結構，于第2層頂（即第3層樓面）設置梁式轉換層，采用主次梁轉換方案。轉換層及標準層平面布置見圖1、圖2。

圖1 轉換層結構平面圖

圖2 標準層結構平面圖

設計時采用基本參數：基本風壓為0.45kN/m2，基本雪壓為0.35kN/m2，地面粗糙度為B類，抗震設防烈度為7度，設計地震分組為第一組，設計基本地震加速度值為0.10g，擬建場地為Ⅱ類場地土。主要構件尺寸，框支層落地剪力墻厚度350mm，框支柱一般為800mm×800mm的方柱，最大框支柱800mm×1200mm,框支次梁500mm×1000mm,框支主梁600mm×1500mm，800mm×1500mm，標準層剪力墻厚度200mm。

2 概念設計與結構布置

本工程轉換層以下為框架剪力墻結構，轉換層以上為剪力墻結構，本工程底部加強部位剪力墻及框支柱抗震等級為二級，非底部加強部位剪力墻抗震等級為三級。設計時從以下幾個方面做為概念設計的出發點。

2.1 平面布置

平面布置應力求簡單、規則、均衡對稱，盡量使荷載與結構剛度中心重合，以避免或減少扭轉產生的不利影響。本工程在樓梯間及電梯間較薄弱處，均布置有落地剪力墻并形成了落地筒體，在建筑物兩側也設置了落地剪力墻，并在橫向布置有間距10.4m的落地剪力墻。墻體布置既分散又均勻。

2.2 豎向布置

豎向布置主要是要控制轉換層上、下剛度的突變，應盡量強化轉換層下部的結構側向剛度，弱化轉換層上部的結構側向剛度，使轉換層上下部的結構側向剛度及變形特征盡量接近。經過反復調整轉換層上下剪力墻布置及落地剪力墻的厚度，本工程最終計算結果，X方向轉換層上部與下部結構的等效側向剛度比為0.80，Y方向轉換層上部與下部結構的等效側向剛度比為0.95，均滿足規范要求，且轉換層上下部的結構的等效側向剛度基本接近，能夠有效的緩解構件內力和變形的突變。

2.3 轉換構件選擇及布置

轉換層是建筑物中不同結構形式相連的關鍵點，它既是下部結構的封頂，又是上部結構的“空中基礎”，在整個建筑結構體系中起著至關重要的連接紐帶作用。由于結構豎向傳力構件的不連續，造成結構上部荷載不能直接傳給下部對應構件，而是通過轉換結構的內力重分配，再向下傳遞。因此，轉換構件相當重要而且受力比較復雜，必須保證轉換結構可靠有效的工作。因此，在布置轉換層上下主體豎向結構時，要注意盡可能使水平轉換結構傳力直接，轉換層上部的豎向抗側力構件（墻、柱）宜直接落在轉換層的主結構上，盡量避免多級復雜轉換。梁式轉換受力明確，傳力簡潔，計算模型簡單，計算軟件比較成熟，而且施工方便，因此本工程設計采用梁式轉換，并且因受建筑功能限制，轉換層為主次梁轉換方案。這種方案由框支主梁承托剪力墻并承托轉換次梁及次梁上的剪力墻，其傳力途徑多次轉換，受力復雜?？蛑е髁撼惺芷渖喜考袅Φ淖饔猛?，還需承受轉換次梁傳給的剪力、扭矩和彎矩，并且框支主梁易發生剪切破壞。故設計時應對框支梁進行應力分析，按應力校核配筋，并加強配筋構造措施。為避免框支梁上部剪力墻對框支梁產生不利的扭轉影響，平面布置時剪力墻截面中心線應與框支梁截面中心線對齊，與框支柱截面中心重合?？蛑又車鷺前迦∠嗽绣e層布置。

3 計算要點

3.1 一般規定

部分框支剪力墻結構是復雜的三維空間受力體系，豎向剛度變化大，受力復雜，易形成薄弱部位。其內力和位移應能符合下列要求，根據結構實際情況，確定較能反映結構中各構件的實際受力狀況的力學模型，選擇合適的三維空間分析軟件進行整體分析，在此基礎上采用有限元方法對轉換層結構進行局部補充計算，取得詳細的應力分布，決定框支梁、柱和附近墻體內的配筋，平面有限元分析的范圍應為底層框架和框支層以上3～4層墻體?？拐鹩嬎銜r，宜考慮平扭耦連計算結構的扭轉效應，依據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2001）第5.2.2條條文說明規定“振型個數一般可以取振型參與質量達到總質量的90%所需的振型數”。計算地震力時振型數應適當增加，不宜少于15個。本工程整體結構計算時采用中國建筑科學研究院研制開發的PKPM系列結構計算軟件 SATWE程序進行計算，TAT程序進行了校核。SATWE 采用墻元模擬剪力墻，不僅有墻所在的平面內剛度，也具有平面外剛度，可以較好的模擬工程中剪力墻的實際受力狀態，對樓板以彈性樓板單元來描述，可以較準確的算出樓板變形對梁、柱、墻的影響。TAT采用空間桿系計算梁柱等桿件，采用薄壁柱原理計算剪力墻。二者均適用于計算平面和立面體型復雜的結構形式，真實地反映結構的受力性能。計算時，選取耦連，振型數為15，最終分析結果見表1。

表1 SATWE和TAT計算結果比較

由SATWE和TAT計算結果比較分析得出：

l） SATWE和TAT兩種軟件計算結果比較接近，可以相互參考；2）兩者計算的剪力重力比都在2%左右，說明地震作用計算適當；3）兩計算結果均未發現較大的扭轉作用，結構扭轉為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比小于0.85。說明結構平面布置合理，質心和剛心吻合較好；4）轉換層上下剛度比在1左右，表明轉換后過渡平穩，同時上部結構無明顯薄弱層，說明結構豎向布置勻稱，剛度變化適度；5）最大層間位移角為1/1255，滿足規范要求，位移控制較好。

對框支梁、框支柱及其上部3層的剪力墻采用中國建筑科學研究院研制開發的FEQ計算軟件進行了有限元分析，研究框支轉換梁與剪力墻共同工作的應力分布，并對應有限元分析結果調整框支梁、框支柱及其剪力墻的配筋。

3.2 內力調整

計算分析表明，部分框支剪力墻結構轉換層以上部分，水平力大體上按各片剪力墻的等效剛度比例分配，在轉換層以下，一般落地墻的剛度遠遠大于框支柱，落地剪力墻幾乎承受全部地震作用，框支柱的剪力非常小。但在實際工程中，轉換層樓面會有顯著的面內變形，從而使框支柱的剪力顯著增加。12層底層大空間剪力墻住宅模型試驗表明：實測框支柱的剪力為按樓板剛性無限大計算值的6～8倍，且落地剪力墻出現裂縫后剛度下降，也導致框支柱剪力增加。所以，內力分析后，應根據轉換層位置的不同，框支柱數目的多少，對框支柱及落地剪力墻的剪力做相應的調整，底層落地剪力墻承擔該層全部剪力，當底層柱多于10根時，底層框支柱應承擔20%～30%的底層剪力?？蛑е袅φ{整后，應相應調整框支柱的彎矩及柱端梁（不包括框支梁）的剪力、彎矩，框支柱的軸力可不調整。由于轉換層上部的樓層，其側向剛度較大，故結構的1、2層不滿足“小于相鄰上部樓層側向剛度的70%，及不宜小于其上相鄰3層側向剛度平均值的80%”的要求，所以1、2層均為薄弱層，將地震力均放大1.15倍參與結構內力分析計算。

3.3 構件的配筋計算

框支梁承載很大且受力情況復雜，其不但是上下層荷載的傳輸樞紐，也是保證框支剪力墻抗震性能的關鍵部位，是一個很重要的受力構件?？蛑Я簯雌氖芾瓨嫾M行承載力及變形計算。框支主梁承托轉換次梁及其上抗震墻時，應將傳遞給水平轉換構件的地震內力乘以1.25～1.5的增大系數后進行應力分析，按應力校核配筋，并加強配筋構造措施。設計中按應力分析結果校核框支梁配筋后，對框支梁縱筋采用Ⅲ級鋼，混凝土采用C40，框支梁箍筋全長加密，沿梁高配置有直徑Ф16的腰筋，梁縱向鋼筋采用機械連接，采取以上措施使框支梁這個復雜而重要的受力構件的結構安全更有保障。

框支柱是轉換梁的支撐構件，其上作用的荷載比較大，而且，往往轉換梁的剛度比框支柱大得多，為保證結構破壞不出現柱鉸機構的不利破壞形態，必須保證框支柱具有足夠的延性和變形能力，以耗散地震能量，減輕震害，因此，應嚴格控制框支柱的軸壓比，設計時控制框支柱的軸壓比小于0.7，體積配箍特征值應比規范規定框架柱數值增加0.02，且配箍率不應小于1.5%，柱箍筋全高加密，柱縱向鋼筋全部采用機械連接。

4 構造措施

表2 混凝土強度等級表

1）本工程采用的混凝土強度等級見表2，均滿足規范要求。

2）轉換層樓板作為重要的傳力構件，承擔著完成上下部分剪力重分配的任務，作用不可忽視，因此必須有足夠的剛度保證。設計時采用180mm厚現澆混凝土樓板，配筋為Ф12@150雙層雙向，每個方向的配筋率均為0.42%，大于規范規定的0.25%的要求。同時，與轉換層相鄰樓層的樓板均予以加強，轉換層以下樓板的厚度為150mm厚，配筋為Ф12@150雙層雙向,轉換層以上樓板的厚度為150mm厚，配筋為Ф10@150雙層雙向。

3）底部帶轉換層的高層建筑結構，其剪力墻底部加強部位的高度可取框支層加上框支層以上兩層的高度及墻肢總高度的1/8二者的較大值，本工程剪力墻底部加強部位取框支層加上框支層以上兩層的高度，即基頂～18.170，墻體兩端設有翼墻或端柱，并按《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2002）設置有約束邊緣構件，框支層以下落地剪力墻厚度350mm，配筋Ф12@200，配筋率大于0.3%，框支層以上底部加強部位剪力墻配筋為Ф10@200，已適當加強。

4）由于轉角窗的存在，局部整體性有較大的削弱，對結構整體抗扭不利，故采取以下加強措施：將雙向懸挑邊梁截面高度加高以增加連梁剛度，房間樓板加厚至130mm，并且在轉角剪力墻之間設置200×130的暗梁，形成配筋拉結板帶，以增加局部整體性。

5 結論

通過對建業洛陽森林半島住宅小區27號住宅樓框支剪力墻結構設計，總結出：

1）對于復雜結構體系，必須認真做好概念設計工作，分析結構特點和難點，盡可能做到受力明確，傳力直接。找出簡潔可靠的結構處理方式，做出總體結構布置；

2）總體結構計算的結果應當是對總體概念設計的量化和證實，因此，結構計算的模型應能較好的反映結構的實際工作狀態；

3）對重要部位和關鍵構件，應進行必要的局部分析，采取相應的處理措施，注意其構件設計的特殊性，以保證其安全度。

[1]高層建筑混凝土結構技術規程JGJ3-2002.

[2]建筑抗震設計規范GB50011-2001.

[3]張維斌.多層及高層鋼筋混凝土結構設計釋疑及工程實例[M].北京：中國建筑工業出版社，2005.