高層建筑局部框支剪力墻結構的抗震計算分析

郭 興 葉洪波

（四川海辰工程設計研究有限公司，四川綿陽，621000）

1.工程概況

某高層建筑總建筑面積153000m2.其中1～4#為高層住宅、5#商業辦公樓、6#辦公樓及公共的地下室,總建筑面積為144726m2其中,2#、3#十九層，高層住宅工程為框支剪力墻結構,一層平面見圖1所示。

圖1 2#、3#樓底部結構平面布置圖

主體結構層高62.3m,地下室2層,層高分別為3.5m,4.7m;地上1層為居民活動空間,高5.4m;2層～13層為住宅,層高2.9m,以上至屋頂層高均為3.0m。

該地區的基本風壓0.4N/mm2,抗震設防烈度7度,場地土的特征周期0.45s,設計基本地震加速度0.1g,框架抗震等級為二級,剪力墻底部加強部位抗震等級為二級,其余部位為三級。結構的阻尼比為0.05,水平地震影響系數最大值為0.08,罕遇地震影響系數最大值為0.5,地面粗糙度為C類。計算中考慮雙向水平地震作用、扭轉耦聯影響及重力二階效應,并對結構的穩定性進行計算。

2.結構設計中的計算分析

2.1.轉換體系的選取與計算

框支轉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鍵。由于工程轉換梁上部層數多,地震時樓板將傳遞相當大的地震力,其在平面內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,相當于考慮了板對梁的卸荷作用,會使梁的設計偏于不安全。在進行整體結構分析時,將轉換層樓板用彈性膜單元模擬。

2.2.嵌固端與轉換層樓板厚度的確定

工程以±0.000板作為嵌固端,既保證上部結構的地震剪力通過地下室頂板傳遞到全部地下室結構,同時能夠保證上部結構在地震作用下的變形是以地下室為參照原點。《抗規》第6.1.14條規定:當地下室頂板作為上部嵌固端部位時,地下室結構的側向剛度與上部結構的側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,在應力集中的樓層,將樓板厚度加大,轉換層樓板取180mm,與其相鄰的層也適當加厚至150mm。

考慮抗震需要,施工圖階段時更有意提高轉換層配筋率,使單層配筋率達到0.35%,以進一步提高轉換層樓板和框支大梁共同作用的能力。考慮到梁寬大于上部剪力墻的兩倍,寬度較寬,對邊轉換梁,板面鋼筋不是簡單地要求伸入梁內滿足錨固要求即可,而是要求必須貫穿梁頂截面,以確保梁內扭矩在板上的有效傳遞。

2.3. 框支柱與剪力墻底部加強部位墻厚的設計

框支柱基本布置于上部剪力墻對齊的下方或就近區域,這樣不僅能使豎向荷載的傳力途徑直接、明確,減少轉換板的內力,同時,上下抗側力結構對齊,對于抵抗水平地震荷載作用,改善轉換板的復雜受力情況也是大有益處的(詳見圖1)。

框支柱作為框支剪力墻結構體系中重要的構件,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計的關鍵。框支柱應在計算的基礎上,通過概念設計和抗震措施 (構造措施)進行設計。調整框支柱總剪力不小于0.30,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,以保證剪力墻有足夠的剛度。

抗震設計時,剪力墻的底部加強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采取增加構造邊緣構件箍筋和墻體橫向鋼筋等必要的抗震加強措施,避免脆性的剪切破壞,改善整個結構的抗震性能。《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2002(以下簡稱《高規》)第7.1.9條規定: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。為了保證底部加強部位處剪力墻的平面外剛度和穩定性,《建筑抗震設計規范》GB50011-2002(以下簡稱《抗規》)及《高規》分別規定了剪力墻底部加強部位墻厚的取值。其中,考慮到高層建筑結構的重要性《高規》對墻厚的取值更加嚴格。針對本工程結構的特點,設計中有以下兩點特別之處:

2.3.1 一般情況下,高層建筑結構底部加強部位的剪力墻厚度應按照《高規》7.2.2條規定取值。但對于本工程而言,由于底部層高較大,一般剪力墻墻厚bw取380,但對于電梯井處剪力墻布置較多,相對的軸力較小,其截面按照上述方法取值則顯得的不是很經濟合理。因此,針對本工程的具體設計,剪力墻截面厚度bw適當的減少到300,同時嚴格按照《高規》附錄D以下公式(1)計算墻體的穩定。

2.3.2 在保證上部住宅剪力墻強度及層間位移滿足規范的前提要求下,盡量減少上部剪力墻數量,減薄厚度,轉換層以下厚度加大,以減少結構上部剛度,增大下部剛度。同時,由于轉換層上下剛度的突變對上部相鄰幾層剪力墻造成的影響,故而除了對轉換層上相鄰數層剪力墻的水平及豎向分布筋和暗柱鋼筋予以加強外,還在這些樓層中跨高比小于2的剪力墻連梁內設置交叉鋼筋以增強其耗能能力。

2.4.轉換層上、下結構側向剛度比的確定

工程實踐中,框支剪力墻結構體系是對結構本身來說是很不利的,為了加大底部大空間樓層的抗側剛度,使上下剛度接近,《高規》規定:需要抗震設防時,轉換層上下剛度比不應大于2,同時不應小于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),同時轉換層以下的混凝土強度等級定位C45(上部為C35),最終大部分單元剛度比均控制在1.4左右,只有少數單元較大,但也控制在1.8以內。

由于高層結構中轉換層的出現,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。如何計算轉換層上、下結構側向剛度比是帶轉換層高層建筑結構設計時必須解決的主要問題。《高規》附錄E分別規定了底部大空間層數不同,轉換層上、下結構側向剛度比的計算方法。其中轉換層上、下結構的等效側向剛度比的計算綜合考慮了豎向抗側力構件的抗剪剛度和抗彎剛度,因此更能反映帶轉換層的高層結構沿高度方向剛度變化的實際情況。轉換層上、下結構的等效側向剛度比按公式(2)計算,為了便于計算頂部位移,可以將頂部單位水平力適當放大。

結構設計時可以應用"高層建筑結構空間有限元分析與設計軟件"(SATWE)計算轉換層上、下結構的等效側向剛度比,具體計算步驟如下:

2.4.1 采用PMCAD 分別按(圖2)建立結構計算模型1、2;

圖2 轉換層上、下結構的等效側向剛度比的計算模型

2.4.2 采用SATWE前處理程序形成風荷載數據文件WIND.SAT;

2.4.3 分別修改計算模型1、2的風荷載數據文件,將頂層剛性樓板的X、Y向風荷載的X、Y軸均設置為500kN,Z軸扭轉分量設置為0,其余各層X、Y向風荷載的X、Y軸分量以及Z軸扭轉分量均設置為0;

2.4.4 運行SATWE中結構分析及構件內力計算程序,求出計算模型1、2的頂部位移;

2.4.5 應用公式(2)即可求解出轉換層上、下結構的等效側向剛度比。

通過上述方法計算得出的轉換層上、下結構的等效側向剛度比宜接近1,非抗震設計時不應大于2,抗震設計時不應大于1.3。

2.5.局部抗震設計

局部框支剪力墻結構的局部加強范圍,對本工程來說,取框支部分所臨近兩個2～3個開間所包圍的區域 (見圖1中方框內的部分)。在進行框支柱、梁內力調整時可按此調整加強部位有關剪力墻、框支柱和梁的內力。局部框支加強范圍以外,可按剪力墻結構設計。兩者交接部分應加強連接構造,如板邊設暗梁、梁板配筋加強等,以保證水平剪力傳遞。

建筑專業為了立面處理的需要,希望在建筑平面的角部開窗 (見圖1中圓形標注內的部分),墻體角部在地震作用下,是較敏感的部位,特別當結構平面不規則時,由于平面的扭轉,引起內力重分布,將使震害加劇,使得此處的連梁分配更多的地震力,容易產生連梁的超筋問題。因此,需要對此處的連梁采取構造加強措施,本工程主要采用了以下幾點:

2.5.1 角部開窗的墻體為無翼緣墻體,《抗規》6.4.1條規定墻體厚度,當無端柱或翼墻時不應小于層高的1/12,本住宅層高2.9m～3.0m,故角部房間墻段厚度取250mm;

2.5.2 由于角部墻體無翼緣,延性較差,應在墻體端部設置暗柱,并適當的加強配筋。

2.5.3 為了增加墻體平面外的穩定性,可在每層樓板角部處附加鋼筋板帶配10Φ12mm鋼筋,兩端各錨入暗柱內,長度≥35d。樓層加強,雙層雙向且均按受拉鋼筋錨固于墻內和梁內,如圖3所示。

圖3 角部平面圖

結語

實踐證明，本工程在設計中不但滿足了使用功能和結構抗震設計的要求,同時使剪力墻的布置和用量都較為合理。

[1]暢君文等.盛大金磐超高層住宅框支結構設計[J].建筑結構,2005.

[2]謝盛杰,敖翠玲.局部框支抗震墻結構的設計[J].PKPM新天地,2004.

[3]簡洪平.鋼筋混凝土高層建筑結構設計中的常見問題分析 [J].有色冶金設計與研究,2004.