淺談部分框支剪力墻結構設計要點與難點

樊爽

淺談部分框支剪力墻結構設計要點與難點

樊爽

隨著城市高層建筑的日漸增多，對建筑結構也提出了更高的質量要求。高層建筑采用部分框支剪力墻結構可以滿足商住樓底部大空間的使用要求，而上部采用剪力墻結構可以避免房間里出現框架柱，使房間美觀且實用。本文針對部分框支剪力墻結構設計要點與難點進行研究。

一、引言

目前，高層建筑結構中，框支剪力墻結構得到了廣泛應用，使建筑功能得以充分發揮。框支剪力墻結構屬于復雜高層結構設計，在應用框支剪力墻結構的過程中，要高度重視建筑質量，建筑結構應合理設計，以確保建筑的使用安全。

二、工程概況

某項目位于陜西省漢中市略陽縣，該縣城屬于典型的山城地貌，寸土寸金。臨街位置需要大型商業建筑，建筑功能1、2層為商場，3、4層為辦公，從5層到27層為居民住宅，地下兩層為車庫。經過剪力墻、框架剪力墻、框支剪力墻等各種方案論證，最終采用框支剪力墻結構來滿足功能要求且使該項目利潤最大化。整個工程項目的總面積為7萬平方米，采用樁筏基礎，整個建筑高度為88.30米。安全等級為二級。本建筑的使用年限為50年，抗震設防烈度為7度。將地上4層頂設置為轉換層，采用梁式轉換，由于轉換層結構所受到的地震力比較復雜，要確保框支結構和剪力墻結構的安全可靠，就要對轉換層進行科學合理地設計。

三、建筑結構的布置

由于本工程1～4層為商場、辦公，需要大的空間。將地上4層頂設置為轉換層，確保地上的1～4層的空間擴大。

較為常見的轉換結構有箱式轉換結構、梁式轉換結構、桁架式轉換結構以及厚板轉換結構等等。在結構布置的時候，要求平面設計不僅合理，而且受力要均衡。為了避免產生扭轉的問題，就要求結構平面的剛心和質心接近。在設計中，對地上4層的剪力墻進行了科學調整，包括框支柱、轉換梁所在位置經過調整之后都得以優化。其中，對豎向結構進行布置的時候，需要進行大量的試算，主要是對轉換層上部和轉換層下部的剛度比予以控制，以使其滿足高規附錄E的規定。在框支剪力墻結構中很容易產生上面剛度大而下面較為柔弱的現象，就需要對轉換層下部剛度進行增加，相應地，將轉換層上部的剛度減弱，以確保轉換結構符合設計規定。

四、建筑結構的分析

1.結構整體抗扭的控制以及平面不規則控制中要重視位移比

結構整體抗扭的控制以及平面不規則控制中需要注意兩個方面的問題，其一，樓層的豎向構件所產生的水平方向的位移最大值與水平位移平均值之間的比值；其二，在考慮5%偶然偏心影響的規定水平地震作用下，樓層的豎向構件所產生的層間位移的最大值與層間產生位移的平均值之間的比值，此比值不宜大于1.2，不應大于1.5，當大于1.2時須考慮雙向地震作用。

2.結構扭轉效應的控制需要重視周期比

周期比就是指第一自振周期之間的比值，即結構扭轉的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之間的比，這是一項重要的指標，可以反映出結構產生扭轉的剛度以及在扭轉的過程中所產生的慣量值。結構可采用剛性樓板假定計算周期比。如果周期比大于0.9，就可以證明結構產生了明顯的扭轉效應，就意味著結構的抗震性能是比較差的。在調整周期比的過程中，需要合理布局結構抗側力構件，要不拘泥均勻布局，抗側力構件應盡量對稱，要使結構中間位置的剛度有所減低，比如減少墻肢、縮小截面；同時，結構周邊的剛度要有所增加，比如增大外圍、邊角的梁、柱截面，加大加長剪力墻。

3.結構豎向不規則性的控制以及薄弱層的判斷需要重視層間剛度

控制好層間的剛度是非常必要的。各層的剛度都要滿足設計要求，特別是轉換層與相鄰的上層結構的等效側向剛度比值要符合高規附錄E。在整個高層建筑中，轉換層都屬于薄弱層，需要根據轉換層位置，合理判斷上下層剪切和剪彎剛度的比值。

4.抗震設計中要重視剪重比

抗震設計中要重視剪重比。如果剪重比不夠，就意味著結構上存在薄弱部位，就需要做好調整工作，剪重比不足一般存在于結構下部，應采取加強豎向構件、增加抗側力構件或加大截面來調整。在計算剪重比時，要求振型個數要充足，使質量系數要超過0.9。

5.結構整體穩定的控制要重視剛重比

剛重比就是結構剛度與重力荷載之間的比值，該指標較容易滿足要求，如未能滿足須考慮重力二階效應，才能夠確保結構整體穩定。

6.按照有關規定對轉換梁和框支柱進行調整以提高其抗震性

對結構的抗震性進行調整，要重點考慮轉換梁的豎向地震作用。對轉換柱以及轉換梁的確定，可以在特殊構件里點擊修改，并根據計算結果對結構的內力進行調整。

7.結構計算

復雜高層建筑結構采用彈性時程分析法進行補充計算，宜采用彈塑性靜力或彈塑性動力分析方法補充計算。本工程采用SATWE和PMSAP分別計算，在均滿足規范要求的情況下按包絡設計。

五、提高框支剪力墻結構抗震性能需要采取的技術措施

本建筑共27層，轉換層位于4層頂，屬于高位轉換，結構相對復雜，無論是平面布置，還是豎向布置，都需要采取相應的技術措施，以提高建筑的抗震性能。

1.框支框架、剪力墻結構抗震技術措施

本工程各構件抗震等級的確定，由于轉換層位于4層頂，超過三層，因此1～4層框支柱、剪力墻抗震等級須提高一級為特一級，1～4層框架梁為一級；5、6層為加強區，剪力墻等級為特一級；7層以上剪力墻為二級。在正確確定抗震等級的前提下合理按規范要求進行計算，并注意各個抗震等級下縱筋、箍筋最小值及配筋率等構造要求。

2.框支剪力墻結構的轉換層以及其上層樓板和下層樓板的設計

轉換層以及其上層樓板和下層樓板的設計是不同的。下層樓板的落地剪力墻剛度與框支柱剛度之間存在著差異，通常剪力都在落地剪力墻處集中，導致荷載增加，使得轉換層突變。上層樓板的水平剪力分布在剪力墻上，與剛度成比例。只有當轉換層達到規定的剛度，上層樓板和下層樓板的剪力分配不同，所產生的變化位置也會有所不同，所以轉換層樓板選擇厚度為180毫米，通長配筋并提高配筋率。上、下層樓板厚度采用150毫米，也采用通長配筋。這樣可以確保上下樓層剪力的均勻變化。

3.上部剪力墻的設計

轉換層上部剪力墻的平面布置應盡量設置在一級轉換梁上、盡量避免出現二級轉換，這樣可使上部剪力墻落在剛度較大的轉換梁上，計算上也容易滿足各個規范指標。轉換層上層剪力墻應增大配筋率，并滿足施工縫驗算要求。框支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。

六、結語

綜上所述，目前的高層建筑越來越多，使用框支剪力墻結構，不僅下部能夠實現框架剪力墻的大空間使用要求，同時上部房間又能體現出剪力墻結構的優勢，使建筑功能得以最優化，而且能使建筑項目達到最大效益。但是，這種框支剪力墻結構存在著抗震能力低的缺陷，這就需要在工程結構設計中對抗震問題特別關注，優化轉換層上、下部結構的布置，確保設計方案合理。從建筑實用性的角度進行設計，有助于更好地完成設計目標。

（作者單位：陜西省現代建筑設計研究院）