轉換構件上部一層剪力墻超筋現象分析

張海永，鐘玉斌

(中機中聯工程有限公司，重慶400039)

轉換構件上部一層剪力墻超筋現象分析

張海永，鐘玉斌

(中機中聯工程有限公司，重慶400039)

通過對部分框支剪力墻結構進行計算分析，總結了轉換構件上一層剪力墻超筋的現象，并分析了發生此現象的原因。該文研究歸納了結構計算時避免轉換構件上一層剪力墻超筋的方法，進而總結了此類結構設計時應采取的加強措施。

剪力墻超筋；轉換構件；Satwe；計算模型；配筋率；超筋現象

1 概述

在進行帶托墻轉換層的剪力墻結構（部分框支剪力墻結構）計算時，很容易出現轉換構件之上一至二層剪力墻（特別是較短墻肢）和連梁超筋的現象。

剪力墻超筋分三種情況：（1）剪力墻暗柱超筋：Satwe軟件給出的暗柱最大配筋率是按照5%控制的，而各規范均要求剪力墻主筋的配筋面積以邊緣構件方式給出，沒有最大配筋率。所以程序給出的剪力墻超筋是警告信息，設計人員可以酌情考慮。（2）剪力墻水平筋超筋（即剪壓比超限）則說明該墻肢截面抗剪不夠，應予以調整[1]。（3）剪力墻連梁超筋大多數情況下是在水平地震力作用下抗剪不夠。規范中規定允許對剪力墻連梁剛度進行折減，折減后的剪力墻連梁在地震作用下基本上都會出現塑性變形，即連梁開裂[2]。

2 轉換構件上部一層剪力墻超筋的原因分析

軟件根據內力來計算配筋一般都不會有問題，問題主要出現在如何求出這個內力。即這個內力是由什么引起的，是豎向力還是水平力。

造成轉換構件上一層剪力墻超筋的一個原因，是帶轉換層的高層建筑在轉換構件上下剪力分配存在很大的突變，而且轉換層位置越高，突變越明顯。這是水平力，但這個因素只能使轉換構件上一層剪力墻配筋略有增大。

造成這個現象的主要原因，是計算軟件的變形協調原理[3]。在豎向力作用下，框支梁沿跨度方向的豎向變形不同，越靠近跨中豎向變形越大（變形大小只是相對的），使墻肢有傾斜的趨勢；同時轉換構件以上樓層的梁板對剪力墻產生水平方向的約束作用，阻止上部墻肢傾斜。因此，在框支梁和剪力墻的接觸面產生了剪力，這種剪力屬于內力，是由豎向力引起，并非外水平力分配后造成的（特別是6度區的水平力相對較小）。這種剪力的大小主要由計算軟件中框支梁與墻變形協調能力決定，單元類型越精確，單元劃分越精細，剪力越小。

進行有限元計算時，單元類型從粗糙到精確依次為：桿單元（梁單元）、平面殼單元、空間實體單元。桿單元最為簡單也最為粗糙，它僅在有限的幾個點與剪力墻協調受力；平面殼單元忽略了平面外的影響；空間應力分析采用了空間實體單元，可以取得接近實際值的結果。

一些文獻[4]對轉換構件上一層剪力墻（或柱）進行了分析，結果表明：（1）梁托柱時框支梁用梁單元和應力分析結果相差不大；（2）梁托墻時框支梁用梁單元計算的彎矩、剪力比應力分析結果大5～20倍，可見梁托墻需進行應力分析并校核配筋；（3）梁托滿跨墻時“拱”效應明顯，框支梁甚至不出現壓應力，中和軸移至剪力墻中；（4）梁托部分長墻（墻體部分落在柱上）時的框支梁的中和軸上移，墻梁相接處應力集中；（5）框支梁之上一至二層的剪力墻應力分布較為復雜，拉、壓應力區域分布和大小都很難總結出統一的規律。

至于空間應力分析工具的選擇，依個人的喜好和熟練程度而定，etabs、sap2000、midas均可以，但是這樣做需要付出相當多的工作量和軟硬件成本。

我們經常使用的軟件Satwe，它用桿單元模擬梁、柱，用平面殼元模擬剪力墻，肯定有較大失真。梁與墻通過若干節點連接，模擬梁墻的協調受力。在進行剪力墻網格劃分時自動將與其連接的框支梁分成幾段，在每一小段梁的端點處與墻連接，來實現墻對梁的傳力。因此，Satwe計算時，“墻元細分最大控制長度”越小，框支梁上一層剪力墻內力越小。

3 轉換構件上部一層剪力墻超筋的處理方法

在進行部分框支剪力墻結構計算時，可以采取以下方法來緩解甚至解決轉換構件上一層剪力墻超筋現象。

方法一：適當加大框支梁剛度，比如層高允許的話可以適當減小梁寬、增加梁高，這樣可以在相同混凝土用量下獲得較大的抗彎剛度，梁縱筋也有所減小。

方法二：在轉換層上下結構布置時，盡量避免相鄰較近的兩片墻一片落在硬支座（框支柱）上而另一片落的軟支座（框支梁）上，不能避免時應盡量加大兩者的距離。

方法三：剪力墻最好位于框支梁跨中部位，或位于柱上時墻中心應盡量對齊柱中心，盡量避免同一片墻一端落在硬支座（框支柱）上而另一端落的軟支座（框支梁）上，不能避免時應盡量減小落在軟支座上的長度。

方法四：落地剪力墻的對稱布置有助于結構受力均勻，從而減小轉換層附近的受力復雜程度[5]。

以上四個方法對整個結構都是很有利的措施，但只能一定程度上緩解轉換層上一層剪力墻超筋現象。

方法五：Satwe“總信息”中“墻元細分最大控制長度”改小（默認為1m），能夠部分緩解超筋情況。但是計算較大的結構時，對硬件要求較高。

算例：某32層轉換層結構，第4層為轉換層，6度0.5g，考察圖1中所示梁托部分長剪力墻JLQ1，墻截面為200×1700。該框支梁KZL1跨度10.3m，截面尺寸1200×2000，轉換層上部樓層層高均為3m。使用Satwe計算，當墻元細分長度取值不同時，所得結果見表1。結果表明，框支梁及其上一層的剪力墻內力的控制工況為豎向荷載。

圖1 框支梁上剪力墻示意圖

表1 恒載作用下上層墻的最大內力

由表1可知，墻元細分長度越小，框支梁上一層剪力墻的軸力、剪力及彎矩都會減小。

方法六：計算模型中把框支梁的梁高加大到足夠大（比如梁高取4m），作為專門對轉換構件上一層剪力墻的計算。采用方法五的例子中模型進行計算，結果列于表2中。

由表2可知，把框支梁的梁高加大到足夠大時，框支梁上一層剪力墻的軸力、剪力及彎矩都會大幅減小，可以比較好地解決轉換構件上一層剪力墻超筋的現象。

4 結論及設計建議

表2 恒載作用下上層墻的最大內力

以上分析表明，在進行部分框支剪力墻結構的設計時，對結構薄弱部位應該采取相關的加強措施。

在豎向及水平荷載作用下，框支梁上部的墻體在多個部位會出現較大的應力集中，這些部位的剪力墻容易發生破壞，因此《高層建筑混凝土結構技術規程》(下稱《高規》）10.2.2條規定轉換層以上兩層為剪力墻底部加強區。另外，《高規》10.2.19條及10.2.22條對這些部位的剪力墻規定了多項加強措施。

使用Satwe計算是不能判定應力集中部位的，因此框支梁之上兩層剪力墻配筋應適當加強。《高規》10.2.19條規定，部分框支剪力墻結構中，底部加強區剪力墻的水平、豎向分布鋼筋最小配筋率，抗震設計時不應小于0.3%，那就把最小值取到0.35%或者0.4%；當抗震等級為特一級時，規范規定最小配筋率為0.4%，建議取值要略大于0.4%。

圖2 框支梁上部墻體加強配筋示意圖

為滿足《高規》10.2.22-3條的要求，根據《2009全國民用建筑工程設計技術措施-結構（混凝土結構）》中相關規定[6]，如圖2所示，框支柱上剪力墻的約束邊緣構件的配筋率應適當提高；柱邊0.2寬度范圍內的墻體豎向分布鋼筋及框支梁上方高度范圍內的墻體水平分布鋼筋，均應比區段外相應鋼筋間距加密一倍。

[1]中國建筑科學研究院.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.

[2]丁永君，付春兵.關于剪力墻連梁中若干問題的探討[J].建筑結構.2013(S1):633-636.

[3]崔大光.型鋼混凝土梁柱框支剪力墻抗震性能研究[D].上海:同濟大學，2006.

[4]劉建偉.框支剪力墻結構合理破壞機制及控制措施研究[D].重慶:重慶大學，2011.

[5]方鄂華.高層建筑鋼筋混凝土結構概念設計[M].北京:機械工業出版社，2004.

[6]中國建筑標準設計研究院.全國民用建筑工程設計技術措施(2009)-結構（混凝土結構）[S].北京:中國計劃出版社，2012.

責任編輯：孫蘇

On Excessive Reinforced Shear-walls of Structural Transfer Members

Based on calculation and analysis on partial frame-supported shear-wall structures,the phenomenon of excessive reinforced shear-walls of structural transfer members is summarized and the causes of this phenomenon are analyzed.Also,methods to avoid this phenomenon are presented with some corresponding improvement measures summarized for reference.

excessive reinforced shear-wall;structural transfer member;Satwe;calculation modeling;reinforcement ratio;excessive steel bar phenomenon

TU973文獻標記碼：A

1671-9107（2014）11-0065-02

10.3969／j.issn.1671-9107.2014.11.065

2014-10-16

張海永(1986-)，男，河北黃驊人，研究生，助理工程師，主要從事建筑結構設計工作。