高位轉換剪力墻結構設計實例分析

張加晚，馮維琦

（中機中聯工程有限公司，重慶400039）

高位轉換剪力墻結構設計實例分析

張加晚，馮維琦

（中機中聯工程有限公司，重慶400039）

該文結合某工程實例，闡述了轉換層結構布置思路，采用SATWE軟件及MADIS BUILDING軟件進行分析計算，并對計算結果進行詳細的對比分析，為結構設計提供建議。

剪力墻；高位轉換；實例分析；SATWE；MADIS BUILDING；結構設計

1 工程概況

藍澳島工程位于重慶市渝北區汽博中心旁，總建筑面積為19萬m2，地下3層為車庫，層高為4.5m，地上由三棟塔樓組成，塔樓均為32層，層高為3m，結構高度為114m。該工程結構設計使用年限為50年，安全等級為二級，工程所在地抗震設防烈度為6度，設計地震分組為第二組，設計基本地震加速度為0.10g，抗震設防類別為丙類，重慶地區基本風壓為0.4kN/m2，該工程為超過60m的高層建筑，結構風荷載計算應按100年重現期考慮[5]，即基本風壓取W0=0.44 kN/m2，地面粗糙度類別為C類。由于建筑功能要求，結構大部分剪力墻不能落地，因此采用框支剪力墻結構體系，結構轉換層位于建筑首層即結構第4層，所以該工程屬于A級高度的高位轉換框支剪力墻高層建筑。結構抗震等級：框支柱一級；框支框架一級；底部加強部位剪力墻一級；非底部加強部位剪力墻三級。

2 結構布置

2.1 概述

合理的結構布置要求結構設計人員應與建筑設計師積極配合，在方案階段就應把自己的想法多與建筑交流，在滿足建筑功能的同時，盡量做到建筑平面簡單、對稱，建筑立面盡量規則均勻，避免過大的外挑和收進，剪力墻能不轉換時盡量不要轉換；合理的結構布置要求結構設計人員更注重概念設計，設計指標均滿足并不保證一定產生最優的結構方案，平面布置的剪力墻并不是越多結構越安全，轉換層以下結構剛度也不是越大越好。本文以2#樓為例，分別對平面結構布置和豎向結構布置思路進行闡述。

2.2 平面結構布置

轉換層上部結構平面布置盡量對稱，剪力墻宜沿兩個方向雙向布置，兩個方向布置的剪力墻側向剛度相差不宜過大。該工程筒體向右偏置，所以在左側增加兩片落地剪力墻，使整個結構體系質心和剛心盡量重合。轉換柱布置要根據上部結構需要轉換的墻體位置來確定，轉換柱盡量布置成轉換框架，這樣有利于結構的抗震。避免兩個方向框支柱相互錯開，形成若干個單片的框支框架，地震作用下易造成框支柱過早破壞，影響結構安全。同時，轉換層上一層剪力墻超筋現象是轉換層設計時經常遇到的問題，也是比較有爭議的問題，計算發現，8m跨的框支梁，框支梁截面800×1500，上抬31層剪力墻時框支梁撓度可達25mm，需轉換的剪力墻如果一端落在框支柱上，另一端落在框支梁上，兩者的變形協調問題是造成剪力墻超筋的主要原因，因此，盡量避免需轉換的剪力墻一端落在框支柱上，另一端落在框支梁上，無法避免時盡量減少落在框支梁上的剪力墻長度。

2.3 豎向結構布置

當剪力墻由于建筑功能原因無法落地時，轉換層盡量設計在低樓層位置，8度時不宜超過3層，7度時不宜超過5層，6度時可適當提高[5]。研究得出，轉換層位置較高時，框支剪力墻結構在轉換層附近的剛度和內力更容易發生突變，同時容易造成轉換層下部落地剪力墻和框支結構的開裂和屈服，轉換層上部幾層的墻體也容易發生破壞，即轉換層較高的高層建筑不利于抗震。轉換結構主要是控制結構的剛度比，剛度比問題的實質是控制樓層上下層剛度不要相差太大，由于轉換層的存在，結構豎向剛度不連續而發生突變。因此，規范《高層建筑混凝土結構技術規程》附錄E給出了轉換層上下層側向剛度的有關規定，當轉換層位于第2層以上時，轉換層與相鄰上層的側向剛度比宜接近1，且不應小于0.6；同時，轉換層下部結構與上部結構若干層的等效側向剛度比宜接近1，且不應小于0.8。當計算剛度比不滿足要求時，很多結構設計師會采取增加轉換層下部剛度或增加轉換層上部結構剛度的方法來滿足規范剛度比要求。這種單純為了滿足規范指標而加強結構剛度的做法是片面的，規范的實質是要使得結構的豎向剛度平穩過渡，片面地加大轉換層上部或下部剛度會導致整個結構太剛而不經濟，結構是否太剛可以通過樓層剪力及周期來大致判斷。當樓層太剛且轉換層下部剛度太小時，可適當減弱上部結構的剛度，同理，當結構太柔且轉換層下部剛度太小時，可適當加強轉換層下部結構的剛度，從而達到轉換層上下樓層結構剛度變化的協調一致。結構優化后的轉換層結構布置如圖1所示。

圖1 2#樓轉換層結構布置圖

3 結構計算及結果分析

3.1 計算參數選擇

該工程采用PKPM系列中SATWE軟件及MADIS BUILDING軟件進行結構多遇地震作用下結構計算，并選用兩組實際強震記錄和一組人工模擬的加速度時程曲線，進行多遇地震下的彈性時程分析補充計算，結構嵌固端取在基礎頂面，振型組合方法采用振型分解反應譜法（CQC）法，計算振型數按各地震方向的振型參與質量不小于總質量的90%控制。計入雙向地震作用下的扭轉影響，并考慮結構偶然偏心，結構位移及周期計算時采用剛性樓板假定，框支層設計時采用彈性板，其中SATWE軟件計算時將框支層設置成彈性板6，MADIS BUILDING軟件在樓板類型中將轉換層設置成彈性板，這樣可以比較真實的得到轉換梁的軸力。轉換層由于上下抗側力構件不連續，不管程序按剛度比來判斷是否為薄弱層都應該將該層置為薄弱層，其他設計參數按規范規定進行選取。

3.2 計算結果分析

該工程SATWE及MADIS BUILDING兩種軟件主要計算結構結果對比見表1。

表1 結構主要計算結構對比

以上計算結果可以發現，兩種軟件計算結果相近，結構周期基本一致，計算結果可靠。結構周期比、剪重比及地震最大位移與平均位移比都滿足規范要求。

圖2、圖3為PKPM及MADIS BUILDING兩種軟件計算的樓層X、Y方向樓層側移剛度，從側移剛度曲線可以看出，轉換層及以下由于與車庫相連，剛度要大于上部塔樓剛度，轉換層以上各層剛度逐漸減少，從下到上側移剛度曲線平緩，結構剛度逐漸減小，無明顯剛度突變和結構薄弱層，結構布置合理。

圖2 2#樓樓層X向側移剛度

圖3 2#樓樓層Y向側移剛度

圖4 2#樓X向樓層剪力

圖5 2#樓Y向樓層剪力

圖6 2#樓樓層X向位移角

圖7 2#樓樓層Y向位移角

圖4 -圖7為兩種軟件在地震作用下采用CQC耦聯方法計算得到的樓層X、Y方向樓層剪力曲線和樓層位移角曲線，兩種軟件計算結果相近，樓層剪力自下而上逐漸減小，與剛度變化趨勢一致。結構位移角峰值出現在15-20層之間，該范圍剪力墻設計時應采取適當的加強措施。該工程還選用二組實際地震記錄曲線和一組人工模擬加速度時程曲線做多遇地震下的結構補充計算，彈性時程分析結果顯示，樓層剛度、樓層剪力和樓層位移角等地震響應曲線變化平穩、連續，無明顯結構薄弱層出現，且地震響應均小于CQC耦聯方法計算結果，結構計算分析結果合理可靠。

3.3 構造措施

轉換層為豎向抗側力構件不連續的薄弱層，為有效傳遞水平荷載，轉換層樓板厚取180mm，采用雙層雙向配筋，且每層每個方向的配筋率按0.3%控制，同時，轉換層上下一層的樓板厚度取120厚，配筋也做適當加強；轉換梁的上部墻體存在拱效應，轉換梁與上部墻體協同工作時，轉換梁處于整體彎曲的受拉區，因此，轉換梁為偏心受拉構件，設計時轉換梁上部縱筋50%沿梁全長貫通；轉換柱和轉換層以下的剪力墻作為轉換層下部結構的抗側力構件，結構抗震等級提高一級，轉換柱和剪力墻底部加強區的軸壓比、轉換柱縱筋、轉換柱箍筋及體積配箍率、墻體的水平和豎向分布鋼筋最小配筋率等都按規范要求從嚴控制；轉換層上一層為豎向剛度轉換過渡區，剪力墻軸壓比從嚴控制，墻體水平和豎向分布鋼筋適當加強；結構分析中發現的結構位移角較大的樓層剪力墻水平和豎向分布鋼筋適當加強；轉換梁柱配筋較多，特別是節點部位鋼筋交錯更為復雜，給施工帶來困難，為了方便施工，應盡量使用大直徑、高強度的鋼筋，減少鋼筋根數和排數，加大鋼筋之間的間距，方便混凝土澆搗。

4 結論

對于高位轉換剪力墻結構，要更加注重結構的概念設計，確定合理的結構方案是關鍵；在此基礎上，還需要有充分的計算分析手段，采用多種不同力學模型的結構分析軟件進行分析對比，并采用結構動力時程分析做補充分析，相互驗證，判斷結構設計方案的合理性，確保計算結果準確和結構安全。

[1]林曉東.帶高位轉換層的高層建筑結構設計[J].四川建筑科學研究，2003，29（3）：33-35.

[2]曹靜，陳蘭.某高位轉換層框支剪力墻結構設計與分析[J].工業建筑，2008（增刊）：1706-1711.

[3]周曉理，高偉.高位轉換超限高層結構抗震分析[J].山西建筑，2013，39（33）：27-28.

[4]方義慶.某帶高位轉換超限的框支剪力墻結構設計[J].建筑結構，2013，43（1）：27-32.

[5]中華人民共和國國家標準．JGJ3-2010高層建筑混凝土結構技術規程[S]．北京：中國建筑工業出版社，2010．

責任編輯：孫蘇

Analysis on Design Practice of Shear Wall Structure with High Transfer

Based on some engineering cases,the thoughts on the layout of transfer story structure are expounded and the results are calculated with SATWE and MADIS BUILDING and the calculation results are compared and analyzed in detail for reference.

shear wall;high conversion;case analysis;SATWE;MADIS BUILDING;structural design

TU318

A

1671-9107（2014）11-0067-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2014.11.067

2014-10-17

張加晚（1984-），男，江西宜春人，研究生，一級注冊結構工程師，主要從事結構設計與研究工作。