房屋建筑中帶轉換層的框支剪力墻結構設計初探

包勇其

（江蘇亞鼎建筑裝飾工程有限公司 江蘇泰州 225300）

【摘要】近些年來，隨著經濟的快速發展，房屋建筑的結構形式也變得越來越復雜。框支剪力墻結構作為一種新的結構體系在城市建設中越來越多，它是將剪力墻結構體系與框支轉換層結構體系相結合的一種結構布置形式。本文主要對房屋建筑中帶轉換層的框支剪力墻結構設計進行分析探討。

【關鍵詞】房屋建筑；轉換層框；剪力墻；結構設計；

一、框支剪力墻結構存在的問題

帶有轉換層的框支剪力墻結構，由于轉換層的設置，使結構沿樓層高度豎向抗側剛度有較大的變化，同時結構豎向承重構件的不連續、結構底部墻、柱截面尺寸的變化導致框支剪力墻結構的受力特性不同于一般的結構是屬于傳力不直接，受力復雜的不規則結構。框支剪力墻結構在外荷載作用下由于轉換構件一般尺寸和配筋量較大，結構整體剛度在該處發生突變，很容易形成薄弱層出現應力集中和變形集中。特別是近些年來，隨著框支結構體系的廣泛應用，轉換層位置的設置越來越高，由原來結構的底層或二層變化到三至六層，有的工程甚至設在七至十層，甚至更高。帶轉換層的框支剪力墻結構由于轉換梁上面存在大量質量，而下面是空礦樓層，在地震力作用下底部框架結構剛度較小導致結構承載能力及抗側能力不足而引起局部發生破壞，甚至導致整棟建筑物的倒塌尤其是當轉換層位置較高時，結構在轉換層附近更易形成一些薄弱部位，地震作用時在轉換層處引起結構局部變形集中和能量聚集。可以說，抗震性能差是該類結構最突出的弊端。

二、轉換層的類型

2.1大梁式轉換層

梁式轉換層比較廣泛的應用于適用于大部分帶轉換層的框支剪力墻結構中。其優點為傳力途徑清晰，受力明確，設計簡單，施工方便，經濟實用等，缺點為轉換梁截面尺寸有時過大，自重過大，材料消耗大，使轉換層整層不能具有很好的空間利用性。

2.2厚板式轉換結構

厚板式的轉換層一般用于上部剪力墻布置復雜，上、下軸線錯開較多，用轉換梁結構難以直接承托等情況。厚板式轉換層結構的優點為讓上下層的軸網關系變換清晰，靈活布置。缺點為使得轉換層上下的傳力途徑變的模糊，受力不明確，自重大，材料耗費嚴重，使用范圍受限制。

2.3箱形轉換結構

箱形轉換結構的主要傳力構件也為托梁，但是上下層的板厚較大，就與其中的托梁一起承擔上下力的傳遞，形成了箱型模型，適用于轉換層上部結構布置復雜時使用。箱型轉換層的優點為傳力途徑清晰明確，轉換層整體剛度大，可以避免梁式轉換層幵大洞的問題等。缺點是，造價較高，形式復雜。

2.4析架式轉換結構

當底部空間軸網柱距較大時，轉換梁高度常達到樓層的整個高度，而又不能開洞，因而該層無法利用，采用術架式轉換結構可以解決這一問題。析架轉換層的優點為傳力途吞清晰明確，自重輕，造價較低，整體性能好。缺點為設計繁瑣，施工工藝復雜，截面尺寸大，影響使用功能，所以實際工程較小使用。

三、 房屋建筑中帶轉換層的框支剪力墻結構設計分析

3.1結構抗震設計

我國處于歐亞板塊和太平洋板塊邊緣，是個多地震國家，我國規范規定，基本烈度為度及度以上地區內的建筑結構，應當抗震設防。我國設防烈度為度及度以上地區約占全國總面積的，建造高層建筑的大城市幾乎都在抗震設防范圍內，因此，房屋建筑結構的抗震設計成為房屋建筑結構設計的重要組成內容。我國房屋建筑采用三水準抗震設防目標，即"小震不壞，中震可修，大震不倒"。在小震作用下，房屋應該不需要修理仍可繼續使用在中震作用下，允許結構進入屈服階段，經過一般修理仍可繼續使用在大震作用下，構件可能嚴重屈服，結構破壞，但房屋不應倒塌、不應出現危危及生命的嚴重破壞。也就是說，抗震設計要同時達到多層次要求。

3.2轉換構件設計

為了使轉換層上、下結構在沿建筑物豎向上的傳力較為明確，便于計算，對于轉換層結構，宜盡可能將需要進行轉換的剪力墻、框架柱等上部結構布置在主要轉換構件上，而不應布置在轉換主、次梁上。采用主梁轉換的轉換層結構，上部結構傳遞下來的荷載在內力分配以及傳遞時較采用主、次梁轉換形式的明確且簡單。中國建筑科學研究院的相關實驗結果也表明，當采用主、次梁轉換時，轉換主梁的受力比較復雜，轉換主梁不僅要承托其上部的剪力墻和框架柱，還要考慮支撐在其上部的轉換次梁引起的剪力、扭矩以及彎矩的作用。對于對于采用主、次梁轉換的結構，轉換構件受力復雜，傳力途徑不明確，轉換主梁在破壞時宜表現出剪切破壞的形態。

3.3框支柱、筒體以及落地剪力墻的設計

對于轉換層上部布置為純剪力墻結構，而下部為純框架結構的形式，在歷次國內外遭受的實際的地震中表現，可以看出這樣的結構形式在地震中所遭受的破壞是非常嚴重的；對于布置有落地剪力墻的結構則在地震中表現出的抗震能力以及延性是相對較好的。在1979年的美國地震中，某框支剪力墻結構取消了部分剪力墻的布置，結果在地震作用下結構的轉換梁以及上部的剪力墻最先出現裂縫并破壞。1995年日本阪神地震中，對于采用了合理布置框支柱和剪力墻的結構，其破壞情況稍輕。因此，規范對框支柱、落地剪力墻及筒體的布置做出了相關要求：（1）、當轉換層下部為1～2層時，框支柱與相鄰落地剪力墻的距離L≤12m；轉換層下部框支層為層及層以上時；（2）、落地剪力墻和筒體結構的墻肢盡量沿建筑物全高布置；形式布置成T形和L形；布置的位置盡量對稱、均勻；（3）、在轉換層以下的框支層，落地剪力墻與筒體的厚度均應增大；（4）、落地剪力墻之間的間距L：抗震設計時，轉換層下部框支層有3層及3層以上時，取L ≤ 1.5B且L ≤ 29m；當轉換層下部框支層只有1～2層，取L ≤ 2B且L ≤ 24m。非抗震設計時，取L ≤3B且L ≤ 36m。其中代表落地剪力墻之間的樓蓋平均寬度。

3.4高位轉換框支剪力墻結構的設計

在使用高位轉換時，結構的受力性能會受到更大的影響。因此在帶高位轉換框支剪力墻結構的初始設計時可以考慮以下幾點保證結構布置的合理性：

（1）盡量避免設計成帶高位轉換形式的轉換層結構。要盡可能的少用帶高位轉換形式的結構或者不用帶高位轉換轉換層形式的結構。采用高位轉換層形式時，轉換層上、下層的層間位移角的最大變化幅度高達95.6%，遠高于采用低位轉換時的，層間位移角的出現樓層發生在轉換層以下樓層，轉換層的基底剪力也會發生突變。這些對于結構在地震下的反應都是十分不利的。

（2）采用其他優化的轉換梁形式。有分析可知，當考慮建筑功能的需要將轉換層設置高位時，轉換結構可以考慮將普通轉換梁改變成寬扁梁形式來進行轉換。寬扁梁的設置可以有效的緩解框支柱的剪力突變和柱頂彎矩過大的問題。

（3）分析計算要準確和全面。對于在轉換層結構中起重要作用的轉換層來說，在設計分析時，對轉換層以及轉換構件的分析也是十分必要的。抗震結構設計時，必須根據結構的實際受力以及約束情況進行有限元建模。在對整體結構應進行分析時，還通過彈塑性時程的補充計算來找出結構的破壞機制和薄弱部位，有需要時還要對重力荷載作用下的施工模擬進行分析計算。

結束語：

在做帶轉換層的高層建筑的結構設計時，既要盡可能地滿足建筑的造型效果及使用功能的要求，又要使結構體系更加合理。因此，對框支剪力墻結構進行設計時，必須嚴格遵循相關規范的具體要求，以使構件的承載力能滿足正常的使用要求，從而進一步保證工程的整體質量。

參考文獻：

【1】張志豪.論高層建筑工程中轉換層結構設計的運用[J].建材與裝飾（下旬刊），2008（2）：10-12.

【2】劉躍平.高層建筑框支剪力墻轉換層結構的設計[J].湖南工程學院學報（自然科學版），2008（4）：20-25.

【3】胡志明.論框架-剪力墻結構的抗震設計[J].中國建設信息，2011（5）：30-32.