高位轉(zhuǎn)換剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計實(shí)例分析

張加晚，馮維琦

（中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶400039）

高位轉(zhuǎn)換剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計實(shí)例分析

張加晚，馮維琦

（中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶400039）

該文結(jié)合某工程實(shí)例，闡述了轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)布置思路，采用SATWE軟件及MADIS BUILDING軟件進(jìn)行分析計算，并對計算結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的對比分析，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供建議。

剪力墻；高位轉(zhuǎn)換；實(shí)例分析；SATWE；MADIS BUILDING；結(jié)構(gòu)設(shè)計

1 工程概況

藍(lán)澳島工程位于重慶市渝北區(qū)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(jié)構(gòu)高度為114m。該工程結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年，安全等級為二級，工程所在地抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計地震分組為第二組，設(shè)計基本地震加速度為0.10g，抗震設(shè)防類別為丙類，重慶地區(qū)基本風(fēng)壓為0.4kN/m2，該工程為超過60m的高層建筑，結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載計算應(yīng)按100年重現(xiàn)期考慮[5]，即基本風(fēng)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(jié)構(gòu)大部分剪力墻不能落地，因此采用框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層位于建筑首層即結(jié)構(gòu)第4層，所以該工程屬于A級高度的高位轉(zhuǎn)換框支剪力墻高層建筑。結(jié)構(gòu)抗震等級：框支柱一級；框支框架一級；底部加強(qiáng)部位剪力墻一級；非底部加強(qiáng)部位剪力墻三級。

2 結(jié)構(gòu)布置

2.1 概述

合理的結(jié)構(gòu)布置要求結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)與建筑設(shè)計師積極配合，在方案階段就應(yīng)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(guī)則均勻，避免過大的外挑和收進(jìn)，剪力墻能不轉(zhuǎn)換時盡量不要轉(zhuǎn)換；合理的結(jié)構(gòu)布置要求結(jié)構(gòu)設(shè)計人員更注重概念設(shè)計，設(shè)計指標(biāo)均滿足并不保證一定產(chǎn)生最優(yōu)的結(jié)構(gòu)方案，平面布置的剪力墻并不是越多結(jié)構(gòu)越安全，轉(zhuǎn)換層以下結(jié)構(gòu)剛度也不是越大越好。本文以2#樓為例，分別對平面結(jié)構(gòu)布置和豎向結(jié)構(gòu)布置思路進(jìn)行闡述。

2.2 平面結(jié)構(gòu)布置

轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)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(cè)向剛度相差不宜過大。該工程筒體向右偏置，所以在左側(cè)增加兩片落地剪力墻，使整個結(jié)構(gòu)體系質(zhì)心和剛心盡量重合。轉(zhuǎn)換柱布置要根據(jù)上部結(jié)構(gòu)需要轉(zhuǎn)換的墻體位置來確定，轉(zhuǎn)換柱盡量布置成轉(zhuǎn)換框架，這樣有利于結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)安全。同時，轉(zhuǎn)換層上一層剪力墻超筋現(xiàn)象是轉(zhuǎn)換層設(shè)計時經(jīng)常遇到的問題，也是比較有爭議的問題，計算發(fā)現(xiàn)，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(dá)25mm，需轉(zhuǎn)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(xié)調(diào)問題是造成剪力墻超筋的主要原因，因此，盡量避免需轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)布置

當(dāng)剪力墻由于建筑功能原因無法落地時，轉(zhuǎn)換層盡量設(shè)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(dāng)提高[5]。研究得出，轉(zhuǎn)換層位置較高時，框支剪力墻結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)換層附近的剛度和內(nèi)力更容易發(fā)生突變，同時容易造成轉(zhuǎn)換層下部落地剪力墻和框支結(jié)構(gòu)的開裂和屈服，轉(zhuǎn)換層上部幾層的墻體也容易發(fā)生破壞，即轉(zhuǎn)換層較高的高層建筑不利于抗震。轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)主要是控制結(jié)構(gòu)的剛度比，剛度比問題的實(shí)質(zhì)是控制樓層上下層剛度不要相差太大，由于轉(zhuǎn)換層的存在，結(jié)構(gòu)豎向剛度不連續(xù)而發(fā)生突變。因此，規(guī)范《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》附錄E給出了轉(zhuǎn)換層上下層側(cè)向剛度的有關(guān)規(guī)定，當(dāng)轉(zhuǎn)換層位于第2層以上時，轉(zhuǎn)換層與相鄰上層的側(cè)向剛度比宜接近1，且不應(yīng)小于0.6；同時，轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)若干層的等效側(cè)向剛度比宜接近1，且不應(yīng)小于0.8。當(dāng)計算剛度比不滿足要求時，很多結(jié)構(gòu)設(shè)計師會采取增加轉(zhuǎn)換層下部剛度或增加轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)剛度的方法來滿足規(guī)范剛度比要求。這種單純?yōu)榱藵M足規(guī)范指標(biāo)而加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度的做法是片面的，規(guī)范的實(shí)質(zhì)是要使得結(jié)構(gòu)的豎向剛度平穩(wěn)過渡，片面地加大轉(zhuǎn)換層上部或下部剛度會導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)太剛而不經(jīng)濟(jì)，結(jié)構(gòu)是否太剛可以通過樓層剪力及周期來大致判斷。當(dāng)樓層太剛且轉(zhuǎn)換層下部剛度太小時，可適當(dāng)減弱上部結(jié)構(gòu)的剛度，同理，當(dāng)結(jié)構(gòu)太柔且轉(zhuǎn)換層下部剛度太小時，可適當(dāng)加強(qiáng)轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)的剛度，從而達(dá)到轉(zhuǎn)換層上下樓層結(jié)構(gòu)剛度變化的協(xié)調(diào)一致。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1 2#樓轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)布置圖

3 結(jié)構(gòu)計算及結(jié)果分析

3.1 計算參數(shù)選擇

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

3.2 計算結(jié)果分析

該工程SATWE及MADIS BUILDING兩種軟件主要計算結(jié)構(gòu)結(jié)果對比見表1。

表1 結(jié)構(gòu)主要計算結(jié)構(gòu)對比

以上計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，兩種軟件計算結(jié)果相近，結(jié)構(gòu)周期基本一致，計算結(jié)果可靠。結(jié)構(gòu)周期比、剪重比及地震最大位移與平均位移比都滿足規(guī)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(cè)移剛度，從側(cè)移剛度曲線可以看出，轉(zhuǎn)換層及以下由于與車庫相連，剛度要大于上部塔樓剛度，轉(zhuǎn)換層以上各層剛度逐漸減少，從下到上側(cè)移剛度曲線平緩，結(jié)構(gòu)剛度逐漸減小，無明顯剛度突變和結(jié)構(gòu)薄弱層，結(jié)構(gòu)布置合理。

圖2 2#樓樓層X向側(cè)移剛度

圖3 2#樓樓層Y向側(cè)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(lián)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(jié)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(jié)構(gòu)位移角峰值出現(xiàn)在15-20層之間，該范圍剪力墻設(shè)計時應(yīng)采取適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)措施。該工程還選用二組實(shí)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(jié)構(gòu)補(bǔ)充計算，彈性時程分析結(jié)果顯示，樓層剛度、樓層剪力和樓層位移角等地震響應(yīng)曲線變化平穩(wěn)、連續(xù)，無明顯結(jié)構(gòu)薄弱層出現(xiàn)，且地震響應(yīng)均小于CQC耦聯(lián)方法計算結(jié)果，結(jié)構(gòu)計算分析結(jié)果合理可靠。

3.3 構(gòu)造措施

轉(zhuǎn)換層為豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)的薄弱層，為有效傳遞水平荷載，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換層上下一層的樓板厚度取120厚，配筋也做適當(dāng)加強(qiáng)；轉(zhuǎn)換梁的上部墻體存在拱效應(yīng)，轉(zhuǎn)換梁與上部墻體協(xié)同工作時，轉(zhuǎn)換梁處于整體彎曲的受拉區(qū)，因此，轉(zhuǎn)換梁為偏心受拉構(gòu)件，設(shè)計時轉(zhuǎn)換梁上部縱筋50%沿梁全長貫通；轉(zhuǎn)換柱和轉(zhuǎn)換層以下的剪力墻作為轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件，結(jié)構(gòu)抗震等級提高一級，轉(zhuǎn)換柱和剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)的軸壓比、轉(zhuǎn)換柱縱筋、轉(zhuǎn)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(guī)范要求從嚴(yán)控制；轉(zhuǎn)換層上一層為豎向剛度轉(zhuǎn)換過渡區(qū)，剪力墻軸壓比從嚴(yán)控制，墻體水平和豎向分布鋼筋適當(dāng)加強(qiáng)；結(jié)構(gòu)分析中發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)位移角較大的樓層剪力墻水平和豎向分布鋼筋適當(dāng)加強(qiáng)；轉(zhuǎn)換梁柱配筋較多，特別是節(jié)點(diǎn)部位鋼筋交錯更為復(fù)雜，給施工帶來困難，為了方便施工，應(yīng)盡量使用大直徑、高強(qiáng)度的鋼筋，減少鋼筋根數(shù)和排數(shù)，加大鋼筋之間的間距，方便混凝土澆搗。

4 結(jié)論

對于高位轉(zhuǎn)換剪力墻結(jié)構(gòu)，要更加注重結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計，確定合理的結(jié)構(gòu)方案是關(guān)鍵；在此基礎(chǔ)上，還需要有充分的計算分析手段，采用多種不同力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行分析對比，并采用結(jié)構(gòu)動力時程分析做補(bǔ)充分析，相互驗(yàn)證，判斷結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的合理性，確保計算結(jié)果準(zhǔn)確和結(jié)構(gòu)安全。

[1]林曉東.帶高位轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].四川建筑科學(xué)研究，2003，29（3）：33-35.

[2]曹靜，陳蘭.某高位轉(zhuǎn)換層框支剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析[J].工業(yè)建筑，2008（增刊）：1706-1711.

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

[4]方義慶.某帶高位轉(zhuǎn)換超限的框支剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].建筑結(jié)構(gòu)，2013，43（1）：27-32.

[5]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)．JGJ3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010．

責(zé)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(jié)構(gòu)工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究工作。