高層建筑中框支剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

顏朝暉

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030013)

0 引言

近年來(lái)，框支剪力墻結(jié)構(gòu)已逐漸成為豎向不規(guī)則高層建筑中經(jīng)常采用的一種滿足建筑功能及美學(xué)要求的結(jié)構(gòu)布置方式。由于框支剪力墻結(jié)構(gòu)中豎向構(gòu)件傳力的不連續(xù)性，造成結(jié)構(gòu)上部荷載不能直接傳遞給下部對(duì)應(yīng)的豎向構(gòu)件，只能通過(guò)轉(zhuǎn)換構(gòu)件的內(nèi)力重分配，再向下傳遞，轉(zhuǎn)換構(gòu)件相當(dāng)重要且受力非常復(fù)雜;因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，除對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析外，還應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)換構(gòu)件進(jìn)行詳細(xì)分析，以保證框支剪力墻結(jié)構(gòu)能正常地、可靠地、有效地工作。

本文結(jié)合一實(shí)際工程，探討高層建筑中框支剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的注意事項(xiàng)。

1 工程概況

某高層商住樓，位于山西省晉城市區(qū)，是集底部商業(yè)、塔樓住宅于一體的綜合性高層建筑。該工程地下2層，層高4.8 m。地上1層 ～3層為大開(kāi)間商業(yè)用房，層高4.5 m(轉(zhuǎn)換層層高6.2 m)，4層以上為剪力墻結(jié)構(gòu)住宅，層高為3.2 m，為實(shí)現(xiàn)這種底部大開(kāi)間與上部剪力墻之間的轉(zhuǎn)換，在主樓3層頂設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，以傳遞豎向荷載和水平荷載。室外地坪以上主體結(jié)構(gòu)檐口高度為67.75 m。本項(xiàng)目采用了傳力直接明確，傳力途徑清楚的梁式轉(zhuǎn)換方式，由于該建筑功能的特殊要求，導(dǎo)致了上部框支剪力墻軸線與底部框支框架錯(cuò)開(kāi)較多，故采用了轉(zhuǎn)換次梁與轉(zhuǎn)換主梁的轉(zhuǎn)換形式。

轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)平面圖如圖1所示(為表達(dá)清楚，圖中忽略轉(zhuǎn)換構(gòu)件以外的平面圖，圖中灰色部分為底部框支結(jié)構(gòu)，黑色部分為上部框支剪力墻)。

2 整體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

為分析整體結(jié)構(gòu)的特性，采用SATWE，PMSAP對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體對(duì)比計(jì)算。抗震等級(jí):框支框架、底部加強(qiáng)區(qū)均為一級(jí);風(fēng)荷載按五十年一遇取0.50 kN/m2;計(jì)算中考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)影響，共計(jì)算27個(gè)振型，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 振型信息

由表1可得:結(jié)構(gòu)第一第二振型均為平動(dòng)振型，第三振型為扭轉(zhuǎn)振型，且結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動(dòng)為主的第一自振周期之比均小于0.85，滿足規(guī)范要求。

由表2可得:周期比、剛度比、層間位移角及位移比均滿足規(guī)范要求。

表2 整體結(jié)構(gòu)分析控制參數(shù)

3 關(guān)鍵構(gòu)件補(bǔ)充分析

由于框支剪力墻結(jié)構(gòu)中，上部結(jié)構(gòu)荷載只能通過(guò)轉(zhuǎn)換構(gòu)件的內(nèi)力重分配之后才能向下傳遞，轉(zhuǎn)換構(gòu)件受力復(fù)雜;故結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，除對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析外，還應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)換構(gòu)件進(jìn)行詳細(xì)分析。

針對(duì)本項(xiàng)目的實(shí)際情況，對(duì)結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵構(gòu)件(框支框架及落地剪力墻)提出適當(dāng)?shù)男阅茉O(shè)計(jì)目標(biāo)，并采用PKPM計(jì)算程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)在中震彈性及大震不屈服的計(jì)算。

中震彈性計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)中需考察的框支框架(框支梁以及框支柱)和底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻承載力均滿足中震彈性的設(shè)計(jì)要求。

大震不屈服計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)中需考察的框支柱和底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻滿足大震下抗剪截面控制條件?？蛑Я撼休d力滿足大震不屈服設(shè)計(jì)要求。

此外，為保證框支梁的承載力，還補(bǔ)充了框支梁在重力荷載下不考慮上部墻體共同工作的模型，將該計(jì)算模型與整體模型小震反應(yīng)譜計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果對(duì)框支梁進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

4 彈性時(shí)程分析

為校核振型分解反應(yīng)譜法的計(jì)算結(jié)果，根據(jù)規(guī)范要求，本工程采用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算，彈性時(shí)程分析所取地面運(yùn)動(dòng)最大加速度為18 cm/s2，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05。地震波選用建設(shè)方提供的及程序自帶的8組小震加速度記錄作為彈性時(shí)程分析的地震波輸入，包括5條天然波和3條人工波，每組包含2個(gè)方向的分量，在波形的選擇上，除符合有效峰值、持續(xù)時(shí)間、頻譜特性等方面的要求外，還應(yīng)滿足規(guī)范對(duì)底部剪力方面的相關(guān)要求。計(jì)算中考慮了2個(gè)方向地震動(dòng)時(shí)程輸入的影響。時(shí)程分析得到的x方向結(jié)果如圖2所示。

計(jì)算結(jié)果分析:

1)振型曲線符合規(guī)律;

2)最大層間位移角小于1/1000，滿足規(guī)范要求;

3)從圖2a)可以看出，曲線在轉(zhuǎn)換層處由剪切型過(guò)渡到彎曲型，符合變形規(guī)律;

4)時(shí)程分析得到的樓層剪力及層間位移角的變化趨勢(shì)與CQC反應(yīng)譜法分析得到的結(jié)果基本一致;基底剪力平均值與CQC反應(yīng)譜的比值(X向0.96，Y向0.97)及最小值與 CQC反應(yīng)譜的比值(X向0.72，Y向0.70)均滿足規(guī)范要求，滿足小震彈性時(shí)程分析地震波選取的要求;動(dòng)力時(shí)程反映分析復(fù)核結(jié)果表明，不需要調(diào)整整個(gè)樓層構(gòu)件的內(nèi)力及配筋。

5 樓板應(yīng)力分析

本工程為部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，為保證轉(zhuǎn)換層處不落地剪力墻的水平剪力能夠通過(guò)樓板有效傳遞給豎向構(gòu)件，補(bǔ)充框支層樓板有限元應(yīng)力分析。

在小震、中震作用下，框支層樓板的最大主拉應(yīng)力分別為0.385 MPa和1.058 MPa，尚未超過(guò)樓板混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(C30混凝土，ftk=2.01 MPa)，可以滿足小震、中震不開(kāi)裂的設(shè)計(jì)要求。

在大震作用下，框支層塔樓相關(guān)范圍內(nèi)樓板的最大主拉應(yīng)力為2.471 MPa，大于樓板混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(C30混凝土，ftk=2.01 MPa)，此時(shí)樓板已經(jīng)開(kāi)裂，在忽略了混凝土的抗拉強(qiáng)度后，折算得到的單跨范圍內(nèi)樓板鋼筋拉應(yīng)力小于400 MPa(HRB400型鋼筋的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值)，可以滿足大震樓板鋼筋不屈服的設(shè)計(jì)要求。

計(jì)算表明:在轉(zhuǎn)換層處樓板可以滿足小震、中震作用下樓板主拉應(yīng)力不超過(guò)樓板混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，大震作用下樓板鋼筋不屈服的設(shè)計(jì)要求，不落地剪力墻的水平剪力傳遞途徑可以得到有效保證。

6 抗震構(gòu)造措施

經(jīng)過(guò)上述多個(gè)計(jì)算模型的大量計(jì)算，力求把結(jié)構(gòu)分析清楚，對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行多個(gè)模型的包絡(luò)設(shè)計(jì)，除計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求以外，為保證結(jié)構(gòu)安全，還采取了以下措施:

1)由于底部商場(chǎng)使用功能限制，落地剪力墻數(shù)量明顯偏少，經(jīng)多次與建筑、業(yè)主協(xié)商，在①③○13○15軸Y向增加了落地剪力墻，這樣雖然損失了部分的建筑功能，但是把扭轉(zhuǎn)效應(yīng)降低到規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi)，扭轉(zhuǎn)周期也由第一周期降低到了第三周期，抗震性能大為提高。

2)轉(zhuǎn)換層樓板要完成上、下層剪力的重新分配，在自身平面內(nèi)受力很大，本次樓板厚度按200 mm設(shè)計(jì)，框支梁向外一跨范圍內(nèi)樓板加厚至180 mm，雙層雙向拉通配筋，每層每向最小配筋率0.25%，以利于水平力的傳遞。

3)嚴(yán)格控制剪力墻、框支柱、裙房框架柱的軸壓比，以提高整體結(jié)構(gòu)的抗震性能。

4)采用轉(zhuǎn)換層后，底部大空間的柱子要承受上部結(jié)構(gòu)的巨大荷載。因柱距受建筑功能制約，柱截面又要滿足軸壓比和上下層剪切剛度比的要求，所以框支柱極容易形成對(duì)抗震不利的短柱。同樣框支梁因承擔(dān)上部巨大的荷載，其抗剪承載力往往難以滿足要求。因此本工程中，框支梁主體框架均采用型鋼混凝土梁以提高抗震性能，其他轉(zhuǎn)換次梁采用鋼筋混凝土梁。柱子全部采用型鋼混凝土柱，以實(shí)現(xiàn)與型鋼混凝土梁的連接，提高整體結(jié)構(gòu)的抗震性能。

5)部分地方由于建筑功能需要，框支剪力墻與框支梁軸線錯(cuò)開(kāi)，為減少框支梁的巨大扭矩，在剪力墻墻肢處(該處為扭矩集中作用點(diǎn))設(shè)置與框支梁垂直的抗偏梁，從而抑制框支梁關(guān)鍵部位的出平面變形尤其是角變位。

7 結(jié)語(yǔ)

梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)能滿足建筑物上、下不同使用功能的要求，但該類(lèi)結(jié)構(gòu)由于上下剛度突變，豎向構(gòu)件不連續(xù)，屬于抗震不利的結(jié)構(gòu)。該類(lèi)型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)工程要求甚高。因此，在進(jìn)行轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)分析時(shí)，務(wù)必明確設(shè)計(jì)原則及計(jì)算原則，要做到概念明確，思路清晰。

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