淺析高層框剪結構設計優化措施

【摘要】剪力墻結構既可以保證結構安全可靠性，又可以使室內空間合理、墻面平整，所以高層建筑結構中越來越多地采用剪力墻結構。但在實際設計工作中，出現一些難點，就電梯井樓梯間等集中設置剪力墻的區域位置和扭轉不規則；建筑外形美觀；結構位移控制；剪力墻布置不均勻；連梁集中過大應力等情況加以分析探討，通過實例的精確計算，調整設計思路設計方案，解決這些設計難題。

【關鍵詞】建筑結構；設計計算；設計

1 工程概況

本工程為地上14層地下一層建筑。建筑屋面結構高度46.3m，底層層高為4.5m，標準層3m。地上地下總建筑面積1.8萬㎡。標準層活載展廳功能取為3.5kN/㎡，辦公樓取值2.0kN/㎡，機房取7.0kN/㎡。考慮隔墻自由布置特點，活載增加每延米墻重/3 的數值。考慮大空間及結構高度的需要，結構抗力體系為框剪結構。因甲方建筑外觀的要求，建筑北側及東側墻面因安裝玻璃幕墻及建筑效果緣故，不允許設置剪力墻，只能在西部南部及樓梯間布置剪力墻以控制位移。但樓電梯間布置也較偏，這樣造成了結構質心和剛心不重合，造成了扭轉不規則。但從平面規則性和豎向布置規則性角度看，結構均屬于較為規則，無開大洞大凹進也并無明顯豎向剛度突變。

主要設計條件計算參數如下：結構安全等級為丙類，抗震設防烈度為7度，地震加速度為0.10g。場地類別為IV類，場地土無液化，特征周期按上海規范取0.9S，風荷載基本風壓0.55kN/㎡，地面粗糙度為B類。初步計算下，剪力墻承擔抗傾覆力矩均在50%以上，因此按框架剪力墻類型來決定抗震等級。因此，根據《建筑抗震設計規范》6.1.2及6.1.3.1條，決定框架抗震等級為三級，剪力墻為二級。結構計算采用PKPM-SATWE軟件進行。框架剪力墻結構按高規考慮0.2 調整系數。頂部塔樓地震力放大系數取2.0。

2 設計計算分析

根據工程概況及現行規范，該工程的設計計算要點主要如下。

2.1 位移控制：根據抗震規范，彈性位移角應控制在1/800 以內。另根據地方抗震規范，首層彈性位移角應控制在1/2000 以內。

2.2 結構規則性要求：最大層間位移與平均層間位移比不得超過1.5，宜控制在1.2 范圍內，第一扭轉周期與第一平動周期比值應小于0.85。并不出現豎向剛度突變，剪力墻上開洞宜對齊。因屬于扭轉不規則結構，應考慮雙向地震下扭轉效應。

2.3 剛度比要求：地下室剛度大于首層剛度2倍，應采用剪切剛度計算方法計算，且地下室范圍為主體結構45放腳投影線確定。

2.4 消除連梁抗剪不滿足及超筋現象：剪力墻連梁雖然在計算中考慮使其首先產生塑性鉸，并計算內力重分布。但實際模型計算中，連梁起到的作用是將每層分配到的地震力傳遞給墻肢，時常出現抗剪不夠的情況。調整主要是考慮整體規則性的情況下，加強連梁抗剪能力。

2.5 初步計算分析：考慮以上計算要點，整體考慮下，本工程Y 向剪力墻布置在X 方向上布置盡量做到均勻，使結構重心與剪力墻剛心基本重合。而X 向剪力墻，由于建筑布置的緣故，剪力墻集中于南面，兩心有一定偏差，將造成一定扭轉。經過計算，基本結果如下：X向位移角1/945，Y向1/812，已滿足。且首層位移角控制在1/2 100，也滿足上海地方抗震規范要求。因地下室人防墻體較多，1 層與地下室剛度比在剪切剛度計算方法下控制在32%左右，已滿足2010 年抗震規范要求。X 方向地震作用下，最大層間位移與平均層間位移比值最大為1.26，Y 方向地震力作用下，最大層間位移與平均層間位移比值在1.23。雖然屬于扭轉不規則，但并未超越1.5 倍的限值。在8、9 層的邊跨剪力墻連梁處，出現了連梁抗剪不滿足。出現于2軸邊跨截面為350×500，抗剪截面不滿足主要出現在8～10層。最大剪力為631kN，而抗剪能力0.25fcBho=545kN，不滿足。

3 優化設計分析過程

3.1 第一次優化設計

將該處兩根連梁放大至350×800，抗剪計算得到了滿足，但是出現新的問題，Y 向位移角擴大至1/769，最大位移節點出現在東南側角部（見圖1），不能滿足規范的要求。同時，扭轉效應也迅速增大，最大層間位移與平均層間位移比值擴大至1.44，顯然向更不利方向發展。2 層底部加強區，電梯間處，出現墻暗柱超筋。同時在南部樓梯間連梁也出現抗剪不足。這一現象證實了引言中所述，框架剪力墻結構各項計算結果數據往往密切相關，不可能只進行局部調整就滿足整體結構的抗力要求。因此，不得不進行第二次調整。

3.2 第二次優化設計

一般位移不足的調整方法，通常為對最大位移處的進行加強，在本工程中，采用放大角柱處的柱大小和剪力墻厚度方法。將該最大位移節點處柱放大至800×800，墻寬放大到400（建筑所允許的最大墻寬）。經過計算，位移雖然有所變小，但是仍舊不在規范允許范圍內，位移角1/788，而且，連梁抗剪不滿足的問題仍舊存在，最大位移與平均位移的比值還是在高位達到1.4。由此可見，這樣片面的調整方法無法解決整體建模分析計算的問題。

3.3 第三次優化設計

整體觀察第一次調整的問題，主要是加強了西側墻體連梁剛度截面后，導致東側剛度相對整個結構驟然減少，使得結構規則性降低，使結構受扭效應顯著提升，并使得部分墻肢受力不均而造成超筋。而本身在建筑物東部的連梁相對于它們所需承擔的應力傳遞和分配的任務相比，350×500的截面明顯不夠。因此，第二次調整的方法片面局部加強角柱是不能達到預期效果，必須整體考慮。盡管對框剪結構位移扭轉等數值的調整最有效的方法是增大剪力墻長度或截面，但是由于建筑對剪力墻布置有一定限制，而連梁和與墻連接的梁在整體結構力傳遞中起到的作用也必須被重視。加上第一次調整也主要是放大了連梁，因此，本次調整主要從與剪力墻相連的梁及連梁微調整著手。放棄第二次調整的修改，經與建筑協商，將電梯前室縱向梁放大至300×700，南部樓梯間及廁所處窗洞上連梁放大350×1000。

經過計算，結構明顯改善了整體傳力協調性，扭轉效應指標，最大位移與平均位移比縮小至1.2～1.3之間，消除了2層的剪力墻邊緣構件超筋及上部幾層出現的連梁抗剪不滿足。并且，最重要是，由于對東南部分的剪力墻連梁加強，使得結構位移控制重新達到規范允許范圍內，最大層間位移角控制在1/830。已滿足規范對框架剪力墻結構各項要求。

4 設計要求規范

（1）本工程放大連梁的調整方法，需要注意規范對連梁有剪跨比不小于1的要求，如果在計算中連梁剪跨比過小，應該在實際設計中采用水平縫將梁分為兩段。

（2）本工程的調整是在建筑要求嚴苛情況，不得已而進行的局部微調。如建筑條件允許，可以通過對結構的整體布置優化，達到更完美更規則的調整效果。

5 結語

以上案例反應了框剪結構設計計算中最常遇到的問題，結構出現不規則情況下，結構設計人員需要對結構模型進行多次調整，方可達到規范要求的指標。