高層建筑剪力墻結構優(yōu)化設計

何冀明

廣東省肇慶市建筑設計室 廣東肇慶 526000

摘要：剪力墻結構作為高層建筑中的主要結構形式，具有結構整體性好，能有效抵抗水平地震作用、風荷載等的作用，因此被廣泛運用于現代高層建筑領域。因此對剪力墻結構的布置進行適當的優(yōu)化分析顯然十分必要。本文結合工程實例，探討了高層建筑框支剪力墻結構的設計，以期為高層剪力墻結構設計提供一定參考。

關鍵詞：高層建筑；剪力墻；抗震；轉換梁；轉換柱

隨著我國社會經濟的快速發(fā)展，人們生活水平也越來越高，高層建筑行業(yè)也逐漸成為城市建設事業(yè)中不可或缺的一部分。高層建筑剪力墻結構的設計，能夠有效的防止樓體受地震等災害的影響，有助于加強建筑物的抗震能力、整體性以及側向剛度，對建筑事業(yè)的發(fā)展起到了很大的作用在這種背景之下，如何在滿足住宅使用功能的前提下做到結構安全、適用、經濟已成為廣大結構工程師不懈努力的方向。基于此，筆者對剪力墻結構的設計內容進行研究與探討。

1 工程概況

某高層住宅工程，主體結構高度98.79m，地下2層，地上1～2層作為商鋪使用，3～32層為住宅，其中3層為結構轉換層。抗震設防烈度為6度第一組，基本地震加速度為0.05g，場地類別Ⅱ類，根據高層建筑混凝土結構技術規(guī)程JGJ3-2010（以下簡稱高規(guī)）3.9.9條及10.6.5條相關條文規(guī)定，底部加強部位（本工程為地下1～4層）剪力墻及柱抗震等級為二級，1～5層框架梁及連梁抗震等級為二級，其余部分框架及剪力墻抗震等級均為三級。本工程采用梁式轉換，轉換層平面布置如圖1所示：

圖1 轉換層結構平面布置圖

2剪力墻結構設計和分析

本工程采用SATWE進行計算，針對結構轉換構件采用PKPM軟件中框支剪力墻有限元分析程序FEQ進行補充計算。具體以圖1中KZZ1、KZZ2、KZL1舉例說明。

2.1 轉換梁、轉換柱的截面取值

（1）根據高規(guī)10.2.8條，轉換梁截面高度不宜小于計算跨度的1/8，框支梁截面寬度不宜大于框支柱相應方向的截面寬度，且不宜小于其上墻體截面厚度的2倍和400mm的較大值。同時考慮框支剪力墻插筋施工方便，以及二級框支剪力墻結構框架柱軸壓比限制不應小于0.7，故取KZL1截面尺寸為950mmX1200mm。此時梁下凈高為3.3m，滿足建筑使用要求。

（2）根據高規(guī)10.2.10條，柱截面寬度抗震設計時不應小于450mm，柱截面高度，抗震設計時不宜小于轉換梁跨度的1/12。同時考慮到轉換梁與轉換柱交接處施工方便，本工程中轉換柱每側尺寸取值均比轉換梁寬50mm，故取KZZ1、KZZ2截面尺寸為1000mmX1000mm。

2.2 轉換梁的設計

（1）考慮到結構安全性，提高梁抗剪承載力，也為了施工方便，本工程中轉換梁的混凝土強度均同此層剪力墻的混凝土強度，為C45。

（2）轉換梁上、下部縱向鋼筋的最小配筋率二級時不應小于0.40%。梁加密區(qū)箍筋直徑不應小于10mm，間距不應大于100mm，加密區(qū)箍筋的最小面積配筋率二級時不應小于。偏心受拉的轉換梁除按計算確定外，支座上部縱向鋼筋至少應有50%沿梁全場貫通，沿梁腹板高度應配置間距不大于200mm、直徑不小于16mm的腰筋。

（3）轉換梁的有限元分析復核。SATWE計算轉換梁的受力模型為框支剪力墻的荷載簡單的傳遞給轉換梁，再由轉換梁傳遞給轉換柱，但實際上轉換梁與框支剪力墻的受力形態(tài)遠比SATWE的計算模型復雜，這是由于：1）框支剪力墻和轉換梁作為一個整體共同彎曲變形，相當于一個倒T形深梁，轉換梁處于深梁的受拉翼緣，應力積分后梁中會出現軸向受拉力。2）框支剪力墻內應力向轉換柱傳遞的應力傳力流與“拱”類似，由于豎向傳力“拱”的存在，使得上部一定范圍內墻體上的豎向荷載很大一部分以斜向荷載的形式傳遞到轉換梁上，若將斜向荷載分解為垂直和水平等效荷載形式，則在水平荷載作用下，就形成了轉換梁內一定區(qū)域受到軸向拉力的情況。

對于這種墻梁單元整體作用的形式，則有必要用二維殼單元模型進行分析。本工程采用FEQ軟件進行應力分析并與SATWE計算結果進行對比。

梁式轉換層有限元分析模型選取原則：1）轉換梁上部墻體層數的選擇與轉換梁跨度有關，當轉換梁跨度較大時，上部層數可選多些。本工程上部層數選4層。2）下部支承結構的層數一般取到嵌固端。KZL1應力分析結果如（圖2、圖3）所示：

圖2 恒載作用下的σx等應力線圖

（密度越大，應力越大）

圖3 恒載作用下的τxy等應力線圖

（密度越大，應力越大）

上圖中，由于墻梁作為一個整體參加計算，墻梁交接處截面變化導致應力集中，故壓應力與剪應力最大值均出現在此部位，最大拉應力出現在轉換梁梁底處。

經由各工況產生的拉應力進行組合，經計算所得Mmax=4686kN/m（1.2恒載+0.98活載+1.4X向地震）。與SATWE的計算結果進行比較（圖4、圖5），用FEQ計算所得的跨中最大彎矩比SATWE計算所得的彎矩大4%，證明一維桿單元模型與二維殼單元模型計算結果存在偏差，有必要對轉換構件進行有限元精細化分析。經過校核，原設計配筋滿足FEQ計算配筋結果。

圖4 兩種程序計算跨中最大彎矩圖比較

圖5 兩種程序計算梁底筋最大值圖比較

2.3 轉換柱的設計

在柱網布置過程中，需配合建筑平面布置，控制落地剪力墻與相鄰框支柱的距離，盡可能增加落地剪力墻數量，以滿足底部空間樓層板的平面內剛度要求，使轉換層上部剪力能有效的傳給落地剪力墻，而框支柱承受較小的剪力。為滿足水平力能夠連續(xù)傳遞，轉換構件周圍的樓板不應錯層布置。

根據SATWE程序計算結果，本工程底層地震作用下X方向最大剪力為1251.7kN，Y方向最大剪力為1364.7kN。根據計算，二層轉換柱承受剪力之和X方向為2134.1kN，Y方向為3141.6kN，不小于結構基底剪力（標準值）的20%，滿足規(guī)范要求。

地下室頂板作為嵌固端時地下1層每側縱向鋼筋面積不小于地上1層的1.1倍，同時為了避免轉換柱在1層柱底與地下1層柱頂承載力突變，造成對結構的不利影響，故轉換柱縱筋延伸至地下1層，地下2層角筋不變，其余縱筋直徑根據計算配筋適當減小。

根據高規(guī)10.2.10條，本工程轉換柱箍筋采用井字復合箍，并沿柱全高加密。

2.4 框支剪力墻、落地剪力墻的設計

落地剪力墻的布置：當底部框支層為1～2層時，落地剪力墻的間距不宜大于落地墻之間樓蓋的平均寬度的2倍和24m。同時，框支柱與相鄰落地剪力墻的距離，1～2層框支層時不宜大于12m。本工程經測算均滿足要求。為避免承載力突變，轉換柱在上部墻體范圍內的縱向鋼筋應伸入上部墻體內不少于一層，其余柱縱筋應錨入轉換層梁內或板內。轉換柱與框支剪力墻交接處具體做法如圖6所示：

圖6 轉換柱與框支剪力墻交接處做法

框支剪力墻的墻身配筋除按SATWE計算確定外，需另按高規(guī)10.2.22條的要求進行復核配筋：

1）柱上墻體的端部豎向鋼筋面積：

As=hcbw（σ01-fc）/fy（高規(guī)10.2.22-1）

2）柱邊寬度范圍內豎向分布鋼筋面積Asw：

Asw=0.2lnbw（σ02-fc）/fyw（高規(guī)10.2.22-2）

3）框支梁上部0.2ln高度范圍內墻體水平分布筋面積：

Ash=0.2lnbwσxmax/fyh（高規(guī)10.2.22-3）

式中：

ln———框支梁凈跨度（mm）；

hc———框支柱截面高度（mm）；

bw———墻肢截面厚度（mm）；

σ01———柱上墻體hc范圍內考慮風荷載、地震作用組合的平均壓應力設計值（N/mm2）；

σ02———柱邊墻體0.2ln范圍內考慮風荷載、地震作用組合的平均壓應力設計值（N/mm2）；

σxmax———框支梁與墻體交接面上考慮風荷載、地震作用組合的水平拉應力設計值（N/mm2）；

有地震作用組合時，上述公式中σ01、σ02、σxmax均應乘以γRE，γRE取0.85.

結合本工程KZZ1、KZL1上部剪力墻，經計算可得σ01、σ02均小于fc，σxmax=3.1N/mm2，代入公式高規(guī)10.2.22-3，可得Ash=1894.44mm2。原墻身水平分布筋配置滿足該計算要求。

綜合上述計算及SATWE計算結果，KZZ1與KZL1上方框支剪力墻配筋如（圖7）所示：

圖7 轉換柱KZZ1上層框支剪力墻配筋圖

2.5 轉換構件的延性極為重要

本工程為了提高轉換梁、轉換柱的延性，加強轉換層結構的整體性和剛度，采取了提高配箍率及縱向鋼筋配筋率，控制轉換柱軸壓比等措施，同時在設計過程中，實際配筋適當放大。根據高規(guī)附錄E.0.1條規(guī)定，當轉換層設置在1、2層時，可近似采用轉換層與其相鄰上層結構的等效剪切剛度比γe1表示轉換層上、下層結構剛度的變換，抗震設計時γe1不應小于0.5。根據SATWE計算所得結果X向等效剪切剛度比為1.3720，Y向等效剪切剛度比為1.4471，滿足規(guī)范要求。

轉換層上部結構，外荷載產生的水平力是根據各片剪力墻的等效剛度按比例分配，而轉換層下部結構，由于框支轉換柱與落地剪力墻的剛度差異，故外荷載產生的水平力分配時產生剛度突變，轉換層樓板起到上下剪力重新分配的作用。故本工程在設計過程中，轉換梁周邊的板厚取180mm，其余樓板取120mm，此層樓板雙層雙向配筋，且每層每方向的配筋率不小于0.25%。同時，為減小應力突變造成的影響，轉換層相鄰上下層樓板適當加強，樓板厚度均取120mm，樓板雙層雙向配筋，且每層每方向的配筋率不小于0.2%。。

2.6 轉換構件的中震分析

框支剪力墻結構是典型的軟弱層結構，上部剪力墻的抗側剛度很大，而底部柱子抗側剛度很小，上下剛度存在差異，在水平荷載作用下底部框架的層間變形很大，通常在底層柱兩端出現塑性鉸，地震作用產生的層間側移會很大，框架柱不可能承受如此大的變形而常常被破壞，各地歷史上均出現了多例框支剪力墻結構建筑在地震中遭到嚴重破壞的例子。本工程處于6度區(qū)，考慮到轉換構件對建筑安全的重要性，故對轉換梁、轉換柱的承載力補充了中震分析，即中震抗剪彈性、中震抗彎不屈服驗算。

中震抗剪彈性分析時有關參數取值如下：地震影響系數取為小震的2.8倍，不計算風荷載，內力調整系數取1，其余參數同小震取值。KZZ1、KZL1計算結果摘錄如下：KZL1加密區(qū)計算配箍Asv=6.8cm2，KZZ1加密區(qū)計算配箍Asv=7.1cm2，經復核，原設計配箍已滿足中震抗剪彈性要求。

中震抗彎不屈服分析時有關參數取值如下：地震影響系數取為小震的2.8倍，不計算風荷載，內力調整系數為1，材料取標準值，荷載分項系數取1，抗震影響系數γRE取為1，其他參數同小震取值。KZZ1、KZL1計算結果摘錄如下：KZL1梁底計算配筋為As=119cm2，KZZ1柱單邊計算配筋為As=28cm2，原設計配筋已滿足中震抗彎不屈服要求。

3 結語

總之，高層住宅剪力墻結構優(yōu)化設計是結構設計理論的重要發(fā)展，其思想內涵不僅僅是追求體積最小或重量最輕，更重要的是要達到一種資源合理的優(yōu)化配置。因此，專業(yè)人員要認真負責這項工作，必須對其剪力墻的受力狀態(tài)進行正確的計算分析，合理科學進行剪力墻的結構布置，確保結構在地震下的安全性，提高建筑物的使用價值與安全性。

參考文獻：

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