高層框支剪力墻結構設計實例分析

摘要：框支剪力墻結構體系是將框架結構和剪力墻結構相結合的產物，在工程界被廣泛采用。本文結合工程實例，探討了高層框支剪力墻結構的設計方法。

關鍵詞：高層建筑；結構設計；框支剪力墻；抗震設計

在當今寸土寸金的大環境下，為了適應社會對建筑功能多樣化的要求，結構往往必須反常規地進行布置：即上部布置小空間；下部布置大空間，因此，建筑功能的要求與正常合理的結構布置產生了矛盾，結構轉換層為解決這一矛盾應運而生。

轉換層可改變軸線和柱網布置：亦可將框架結構轉換成剪力墻結構，從而為建筑提供下層室內大空間和寬廣的出入口。

轉換層依其上下不通的平面布置可采用梁式、桁架式、箱型或厚板式轉換層，其中，梁式轉換層是目前高層建筑中實現垂直轉換最常用的結構形式，梁式轉換層具有傳力直接，明確，傳力途徑清楚，受力性能好，工作可靠，構造簡單，施工方便的優點，結構設計相對比較簡單，而且造價也較節省。

1 、工程概況

該工程為某小區高層建筑中的一座商住綜合樓。1、2 層用于商業,,轉換層設在2層頂；3～30層為住宅,用于商業；地下1層為地下室,用于車庫、水池和設備間。室外地面至主要屋面的高度為90.5m,至局部電梯機房女兒墻頂的高度為99.2m。標準層和轉換層結構平面分別如圖1和圖2 所示。

圖1 標準層結構平面

圖2轉換層結構平面

典型的板式住宅,南北通透,進深小,立面寬。由于建筑平面狹長,并且西端局部軸線轉向,如圖設一道防震縫將建筑物分為東、西兩個結構單元。東座為長矩形平面,西座平面嚴重不對稱,高寬比都很大。本工程為丙類建筑,抗震設防烈度為 6 度,基本地震加速度為 0.05g,建筑場地類別為 II 類, 設計地震分組為第一組, 基本風壓為0.35kN/m2,地面粗糙度為C 類。

2 、結構布置與計算調整

住宅建筑平面形狀復雜,高寬比的計算方法沒有明確的標準。如果按所考慮方向的最小投影寬度計算高寬比：東座達90.2∶9.3=9.7,西座達87.3∶9.3=9.4,遠遠超過了規范限值6。本工程平面中, 局部突出部分占有相當大的面積, 并且其外伸長寬比4.55∶7.2=0.63比較小, 如果按包括突出部分的最大投影寬度計算高寬比,東座為90.2∶17.2=5.2,西座為87.3∶17.2=5.1。

為了得到理想的戶型布置, 盡量不加大平面南北向最小寬度,而是通過剪力墻的平面布置來控制結構的側向剛度和承載能力,保證穩定,防止傾覆,并實現良好的技術經濟指標。結構布置中增加Y 軸方向剪力墻的數量和長度,南北立面上局部突出的部分加強了剪力墻布置,尤其注意保證了足夠的y軸方向落地剪力墻。

彈性計算顯示:風荷載作用下,東座Y向最大層間位移角為1/1184, 西座為 1/1250；多遇地震作用下東座Y向最大層間位移角為1/2219,西座為 1/2420；東座Y向剛重比為3.4,西座為3.83,均遠大于1.4,滿足規范的整體穩定要求；剪力墻、框支柱等抗側力構件配筋量正常,多數是構造配筋,無異常超限情況;基礎底面也未出現零應力區。

計算中發現,東座由于平面狹長,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偏大。延長周邊剪力墻,同時縮短內部剪力墻,使抗側力構件的平面布置更加合理有效。調整剪力墻布置時,同時關注剛心的移動, 避免無意間增大了偏心率而收到降低耦聯周期比的效果。

西座由于嚴重不對稱,樓層扭轉位移比很大。通過調整剪力墻布置,盡可能減小樓層剛度中心與質量中心之間的偏心。關于多高層結構剛心的定義存在爭議,現代空間結構計算方法并不需要確定剛心的位置,但剛心仍是概念設計的有用工具。SATWE 軟件把每一樓層當作單層結構計算出樓層剛心,PMSAP 軟件按照某種方式考慮所計算樓層與整體結構的關系而得出樓層剛心。參考軟件計算的剛心和質心位置,調整平面布置。

東座平面規則,框支柱距比較大,而且由于商場建筑布局的需要以及保證結構Y向剛度和控制落地墻間距的考慮,Y向落地剪力墻較多,X向落地墻較少,使得X向轉換層附近豎向剛度突變比較明顯。框支框架截面和落地墻厚已無法加大, 主要通過適當縮短上部住宅剪力墻,加寬洞口,并利用裙房的側向剛度,使轉換層上、下結構等效側向剛度比滿足規范要求。

3 、分析模型與設計計算

本工程為帶轉換層的復雜高層建筑結構,設計時采用 SATWE和PMSAP兩種不同力學模型的三維空間分析軟件進行整體計算。

在聯肢剪力墻中, 連梁是一種對結構整體剛度很敏感的構件,用殼元建模分析更準確。但是當連梁跨高比比較大時,對采用單元結點協調的SATWE會帶來與連梁相連處墻肢單元劃分困難的問題。鑒于目前的設計軟件不能人工干預單元的劃分,當連梁跨高比不小于5時用桿元建模,小于5時,用殼元建模。

本工程樓蓋整體性較好,無狹長樓板或局部大洞口,可以采用剛性樓板計算以減少自由度數。轉換層樓板起到傳遞分配不落地墻水平剪力的作用,另外在框支剪力墻中需考慮轉換梁的軸向拉力,水平轉換和豎向轉換都要求考慮樓板平面內變形,應采用彈性板計算。為了使轉換梁轉換豎向荷載的傳力路線清楚,不考慮轉換層樓板的平面外剛度,按彈性膜計算,偏于安全?？紤]到水平荷載的轉換也不是全部在轉換層完成的,其上相鄰的標準層樓板也定義為彈性膜。

裙房屋面與轉換層樓面在同一標高, 裙房框架柱的內力也會受到水平荷載轉換的影響, 故將裙房屋面板與轉換層樓面板一起定義為彈性膜。但在計算扭轉位移比時,為了反映結構的整體扭轉,全樓強制采用剛性樓板假定。

PMSAP中梁、柱不能偏心建模,當轉換梁與其上剪力墻之間存在偏心時, 輔助建立若干與轉換梁軸線垂直的分布足夠密的小段剛性梁,以傳遞剪力墻和轉換梁之間的荷載并協調變形,準確反映框支剪力墻的協同工作。

在結構整體計算中,考慮雙向地震作用和偶然偏心,但二者不疊加。轉換層及其附近的彈性板使整體結構的獨立質量總數和固有振型總數大幅增長,振型復雜。

為了使復雜高層建筑結構的地震反應譜分析達到足夠的精度,保證足夠大的各地震作用方向有效質量系數,在振型分解反應譜計算中取前30階振型。

由于在轉換層附近采用了彈性板建模, 使用總剛計算方法直接形成結構的總剛度矩陣和總質量矩陣進行地震反應分析。西座中因軸線轉向有部分斜交構件, 增加計算45°和135°方向水平地震作用。在振型分解反應譜法計算后檢查樓層剪重比,轉換層薄弱層處有足夠的設計地震剪力。

兩種設計軟件的各項計算結果比較接近, 表明分析模型和方法合理,計算結果可靠,滿足了規范各項要求。主要計算結果示于表1～表4。

表1 東座自振周期計算結果

注：表中最大位移比和最大層間位移比只計塔部分，不含底部裙房和突出屋面的電梯機房。

4 彈性時程分析補充計算

用直接動力法與加速度反應譜法的計算結果作比較, 以準確了解復雜高層結構在多遇地震下的響應。采用SATWE進行彈性時程分析,選用場地特征周期為 0.35s,加速度譜和規范設計譜形狀比較匹配2 條天然波MT.DIABLO,SANFERNANDO和1條人工波USER1作為輸入, 峰值加速度按照 6 度多遇地震設防水準調整為18cm/s2。由于振型分解反應譜法計算基底剪力時僅考慮單向地震作用, 為了與之比較,在彈性時程分析中也只輸入主分量加速度時程。

東座和西座結構在 Y 向地震波作用下的最大樓層剪力響應分別示于圖 3 和圖 4。各條時程曲線計算所得的結構底部剪力與振型分解反應譜法求得的底部剪力相比符合規范要求。取各條波反應的平均值作為彈性時程分析的結果,小于加速度譜法的計算結果。彈性時程分析也反映出樓層剪力在轉換層附近的突變現象。

圖3 東座Y 向最大樓層剪力曲線

圖4 西座Y 向最大樓層剪力曲線

5 結束語

高層建筑的造型和功能日趨多樣化。超限復雜高層結構設計尤其需要重視抗震概念設計,在總體布局中融入三水準抗震設防思想,合理建立分析計算模型,正確運用設計軟件,透徹理解規范條文的含義和背景,在現有認識水平的基礎上設計出安全可靠經濟適用的結構。

參考文獻

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作者簡介：吳濤（1978-），?男，江西省寧都縣人，?中級工程師，學士，身份證：362131197809032919，現供職于深圳市新城市規劃建筑設計有限公司，?研究方向：結構工程。

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