高層建筑工程的框支剪力墻結構設計探究

王想花

(江西省建工設計院，江西 南昌 330000)

如今，高層建筑鱗次櫛比，矗立在城市的正中央，盡管轉換層的應用使得高層建筑特殊的建筑要求得到滿足，但是帶轉換層的高層建筑，縱向結構構件十分薄弱，而且扭轉效應較大。特別是在地震情況下結構反應十分復雜，所以高層建筑工程的框支剪力墻結構必須經過嚴格的設計、分析、仿真以及模型計算找出結構薄弱部位進行改進加強，從而確保高層建筑的使用及抗震性能。

1 高層建筑的簡介

高層建筑可以說是衡量一個國家或者地區科技發達和經濟繁榮的標志之一。2002年我國將高層建筑的最少層數統一為10層，世界上最高的高層已經達到110層，這是高層建筑不斷發展以及人類智慧的最好體現。高層建筑將以往較單一的住宅和辦公樓結合起來進行綜合建筑發展，使得功能適應性、技術合性和經濟可能性得到質的變化。但對高層建筑的結構設計以及性能要求也逐漸提高，結構所需的材料也開始轉向輕質、新型、高強的復合方向發展。

2 轉換層在高層建筑工程中的應用

由于多功能以及綜合用途的要求，從建筑的使用功能而言，通常將小開間設計在中上層，而大開間設置在高層建筑的下層部分。但從結構的合理布置來看，兩者恰好相反，為了滿足建筑功能的要求，就必須采用與常規相反的布置形式。在下層布置強度較弱的框架柱，上層布置剛度較大的剪力墻，而上下層這種結構的轉變必須要設置轉換構件銜接兩種不同機構，并傳遞之間的內力，這一層就是轉換層。本文將重點介紹由于上下層具有不用的結構從而通過轉換層進行轉換的剪力墻結構和框架－剪力墻結構。在此類型中，轉換層將上部剪力墻轉換為下部建筑的框架，為建筑的底部創造出一個較大的內部自由空間。

轉換層在高層建筑中的位置決定了高層建筑的抗震能力，其位置宜低不宜高。研究表明，轉換層位置較高時，更容易使框支剪力墻結構在轉換層附近的框支剪力墻結構上下內力傳遞路線發生突變，并且伴隨著較大的剛度變化。另外，轉換層位置越高，筒體或落地剪力墻越容易受彎出現裂縫，從而使框支柱的內力增大，破壞轉換層上部墻體，這與抗震設計理念之間存在沖突。在現行的國家標準《高層建筑混凝土結構技術規程》中規定:9度區不應采用;7度，8度地區可以采用，但限制大空間部分框支剪力墻結構轉換層不宜超過3層，7度區不宜超過第5層;6度區其層數可適當增加，但不可過高。在必須采用高位轉換的情況下，應嚴格控制轉換層以下框支結構的等效剛度，即必須考慮剪切、彎曲和軸向變形的綜合剛度。

3 框支剪力墻結構的設計探究

框支剪力墻的結構要追溯到五、六十年代由蘇聯和東歐的一些學者提出的下層為框架、上層為剪力墻的結構體系。結構中的部分剪力墻因建筑要求不能落地，直接落在下層框架梁上，再由框架梁將載荷傳至框架柱上，這樣的梁就叫框支梁，柱則叫框支柱，上面的墻就叫作框支剪力墻。由于其具有良好的建筑使用功能，如今已被廣泛地應用到帶有轉換層的高層建筑結構中，并通過不斷地工程實踐和研究分析，已經形成了成套設計和施工工藝。下面從以下幾個方面對框里剪力墻的結構設計進行探究:

3.1 結構設計的要求

不同的工程概況和地基基礎需要設計不同的框支剪力墻結構，不但要滿足不同的建筑功能要求，還必須滿足國家規范對這些結構的相關規定。一般的帶有轉換層的高層建筑，為滿足不同的使用功能，轉換層以上使用剪力墻結構，下層選擇局部剪力墻結構。

(1)豎向結構的布置。由于豎向受力構件之間的轉換容易造成高層建筑豎向剛度的突變，若受到地震作用，此處則成為抗震的薄弱環節，所以《高層建筑混凝土結構技術規程》中對框支剪力墻轉換層的上下結構的等效剛度比有著嚴格的限制。在豎向結構布置中，應保證底部大空間具備合適的剛度、延性以及強度，一般從以下幾點進行加強和改進。轉換層的轉換構件在傳力過程中應該簡單直接，應該盡量避免轉換次梁以及水平方向的多級轉換;處在框支剪力墻轉換梁的上一層墻體以及中間支柱承受的垂直載荷較大，最好不要設計門洞;盡量強化轉換層下部剪力墻以及框柱的剛度。

(2)平面結構的布置。平面結構應具有良好的整體性，遵循簡單、規則并做到均勻對稱。對于一些超長、超寬或者其他不規則平面結構一般要設置溫度伸縮縫，不但可以具有整體性，還能兼作抗震縫。經過多年的研究分析，一些平面不規則、質量中心與結構的剛度中心偏差過大的高層建筑中，在地震中承受巨大的扭轉作用力而受到嚴重破壞，所以設計過程中盡量使這兩個中心重合。

(3)轉換層構件布置。轉換層既是上層結構的基礎，又是下后結構的封頂，起到承上啟下的作用。轉換層的存在使得上下傳力構件無法直接、連續的進行傳遞，所以在轉換層上部的豎向抗側力構件應直接落在轉換層的主結構上，從而使水平轉換結構傳力直接，避免出現多級復雜轉換。梁式轉換結構在這方面就表現出良好的性能，并且具有成熟的模型仿真，但是由于框支主梁受到的作用力十分復雜，因此在設計時必須進行應力分析實驗，并按應力校核結果配備加強筋構造。

3.2 結構設計的要點以及計算分析

框支剪力墻結構是一種十分復雜的空間受力體系，極易形成各種薄弱部位，所以應使用合適的三維模型分析軟件進行整體構造的詳細分析。建立完成三維模型后，需要使用有限元分析軟件對其進行有限元法的分析計算。分析結束后還要加以進行彈性時程分析法進行整體結構的補充計算。由于高層建筑的特殊特征，對于風載荷、雪載荷以及豎向載荷都要進行精確的計算分析，當然對于抗震能力的設計分析是結構設計的重中之重，它直接影響著整個建筑的使用壽命以及使用安全性。

4 抗震性能的探究

由于框支剪力墻結構在受力方面的復雜性，使得抗震能力不甚理想，特別是在轉換層下部以及相鄰的樓層更容易受到破壞，所以對抗震性能的研究也面臨著前所未有的挑戰。將結構設計完畢后，根據不同的建筑施工工況進行多次抗震作用效應分析，對出現的抗震設計缺陷進行改進和完善，確?？蛑Ъ袅Y構在高層建筑中抗震系數滿足各項要求。

5 總結

盡管在高層建筑中框支剪力墻已經得到廣泛的應用，并且也取得了前所未有的高度和成就，但是該結構復雜的受力特性使得在抗震性能上還有很大的改進空間。在進行轉換層的設計構造時，嚴格遵循本文提到的結構設計要求，特別是抗震概念要求，在轉換層附近適當提高其構造等級要求，增強整體抗震能力，使得框支剪力墻結構更好地應用到高層建筑中。

［1］金地.名郡A、B塔樓超限高層建筑工程結構超限論證報告［R］.中建國際(深圳)設計顧問有限公司，2010.

［2］白潔.淺談高層建筑結構的轉換層［J］.山西建筑，2007，33(15):70－71.