試論高層建筑箱型轉換層框支剪力墻的結構設計方法

盧長福

（南昌軌道交通設計研究院有限公司， 江西 南昌 330038）

1 工程概述

某高程建筑的總占地面積約為 3000m2，總建筑面積為 30000m2，其中包括地上5層，地下2層。該建筑整體結構形狀并不規(guī)則。建筑安全等級為二級。建筑基礎由大直徑錘擊沉管灌裝柱與樁筏共同組成。建筑建設地點屬于高風壓地區(qū)，抗震防裂強度為7級。基本風壓值為0.81kN/m2。

2 結構體系的確定

設計過程中根據甲方要求以及相關規(guī)定的設計要求，該工程定位為高端住宅區(qū)。建筑底層用來作為酒店運營用房，并對其進行架空。并且要講室外景觀引入建筑中去。所以建筑剪力墻的位置就需要嚴格的設計與控制。并且，上部建筑需要保持房屋的方正。通過技術人員反復討論決定，該項目需要采取框支剪力墻來滿足甲方提出的相應需求。該項目的轉換層設在了 2層，并且選用箱型轉換結構解決上部分墻體無法落在地面或者框支梁上的問題，箱型轉換結構的高度為235cm。轉換層整體的剛度通過箱體得到了有效的增加，并且框支架的抗扭性能會被箱體上下的層板進行加強。

為了將建筑結構的剛度控制在較為合理的范圍內，并保證建筑的抗震性和抗風性符合實際需求。就要配合建筑功能合理設計建筑中的抗側力構建的布置情況，并保證讓核心筒剪力墻落地。設計過程中，可以對建筑外圍或較為突出的部分設計厚度為80cm左右的L型剪力墻以防止獨立框的直角柱外露。設計者在設計過程中也可以采取讓處于建筑中部位置的剪力墻落地的方式來保證設計符合相關建筑的設計規(guī)范以及剛度比的要求。

3 分析計算

3.1 合理選擇設計計算程序

本文討論的工程建設項目為高層建筑結構。在對該項目進行結構設計工作中，可以選用SATWE程序和實體單元模型的ANSYS有限元分析軟件進行設計分析計算。目前來說，這兩個程序是國內十分常用的剪力墻設計計算軟件。

3.2 程序使用注意事項

①框支柱和框支梁需要在程序平面輸入是進行人工指定，這樣做可以有效保證準確進行轉換構建指定工作。并且設計計算程序要符合行業(yè)規(guī)定的要求。計算發(fā)生水平地震時建筑物轉換構建內力的時候，應該對計算結果進行適當的放大。

②設計這應該首先分析建筑的實際情況，并分析確定剪力墻之間的連接梁是哪個，同時對連梁或定框架梁進行指定，設計過程中對于剪力墻相交的一端或兩端的量應該默認為連梁。設計過程中應該先折減量的剛度后在進行內力計算，當連接梁的設計跨度相比較大的時候，框架與梁的受力模式大致相同。所以在這種情況下，可以將這種梁以人工的方式定義為框架梁，以達到對結構內力進行準確計算的目的。

③在設計過程中會遇到一字型墻肢和平門外方向流氓的連接梁相連接的情況，設計者可以對梁與墻相交的地方采取鉸接的方式達到抵抗梁端彎矩對墻體造成不利影響的目的，這樣做也可以有效降低梁對墻體作用的平門外彎矩。

④根據項目實際需求與情況進行計算時運用程序軟件進行結構設計計算的首要原則。對于該項目，可以將底層凈高和二分之一箱體高度相加的得到的和作為底層計算高度。而直接將底層層高作為計算高度的方式，會在計算底層高度的過程中忽略箱體兩層底板的作用，這樣就導致了計算結果與實際情況偏低的問題出現(xiàn)。而加大構建截面積的方式可以有效保證側面剛度并使其符合規(guī)范要求。但這種措施在一定程度上會對材料造成浪費。

⑤設計過程中要保證結構中剪力墻受到的荷載能夠有效地順利的傳遞到相應構件上。設計者應該在直接安裝在箱板的剪力墻的下面設置尺寸合理的暗梁。這種措施可以有效明確墻體傳送荷載的重要途徑。設計計算程序會自動分析支柱與剪力墻距離較近的時候，將柱節(jié)點標注在剪力墻下段節(jié)點處，而墻體本身承載的荷載就會傳遞給柱子。所以梁體內力的分析結果就會出現(xiàn)問題。設計者可以通過采用對墻肢下段合理的地方設置附加節(jié)點的方式來保證墻肢所受和在理有效作用在梁上。

4 結構分析計算結果

筆者選擇了該項目中一棟結構計算結果最不利建筑進行結構分析，具體的計算結果如下圖。

圖1 計算結果示意圖

計算中采用的地震波由中國建筑研究院提供。由計算結果可以了解到，加速度峰值為 50m/s2時可以導致地面運動。筆者通過彈性時程分析法和振型分析方法對該結果進行了驗證，驗證結果表明幾種計算方式的結果是相同的。

5 設計框支層結構

5.1 設計剪力墻

在設計方案中，核心筒落地剪力墻的厚度尺寸定為41cm，且該建筑四周均設計布置了厚度為80cm左右的L型剪力墻。0.49MPa為墻肢軸壓的設計上線，這樣做對混凝土的延性具有提升作用，并且可以有效改善混凝土受壓性能。在設計過程中，配筋率、墻體水平和數值方向布筋均要嚴格準守相關要求，并且要對剪力墻中進行約束的構件進行復核相關規(guī)定要求的設計。1.3%是邊緣約束構件走向配筋率的最低要求。在軟件中，筆者將短墻的數據控制為長厚比低于4.9m，并對計算結果進行驗證，通過計算，不同計算方法的計算結果是相同的。

5.2 設計框支柱

根據規(guī)范要求以及實際建設需求可知，改項目涉及框支柱需要達到一級的抗震等級要求，0.65MPa是該軸壓的比值。通過設計計算及驗證計算可以了解到，這部分框支柱的受力情況總體來說非常均勻。軸壓比值范圍在0.42～0.53MPa之間。所以，改箱型轉換層下框支柱具有良好的變形一致性。通過對柱子實際縱筋配備情況對框支柱剪力設計情況進行驗證計算，并對使用放大系數對計算結果進行處理可知，剪壓比能夠有效控制在0.16MPa以下，箍筋方面涉及到的體積配筋率最低可以保證在1.6%以上，同時柱子縱向鋼筋配筋率也可以保證處于1.20%以上。設計框支柱具體設計參數能夠達到這些要求，就可以有效保證強剪弱彎和支柱的可延性。

5.3 設計箱型轉換層樓板

對于箱型轉換層，箱體上下層板設計厚度為 22cm，箱體高度設計參數為235cm。筆者使用ANSYS軟件對箱體上下板層所受到的內力進行了分析計算，計算結果表明箱體下層板在不同荷載的作用下均處于受拉的應力環(huán)境，平均拉力數值為2.2MPa，而上層板處于平均壓力為1.22MPa的受壓狀態(tài)。

6 總結

本文通過對實際工程的高層建筑箱型轉換層框支剪力墻的結構設計進行了分析，了解的如何確定出科學可行的設計方案，并且也明確了如何根據設計方案對建筑結構進行布局。通過設計軟件或不同設計方法對設計成果也均進行了驗證，驗證結果均可以表明該建筑的結構設計處于合理的狀態(tài)。根據設計結果和驗證結果以及相關的分析工作我們可以了解到，該項目采用的高層建筑箱型轉換層框支剪力墻設計方案能夠有效保證建筑整體符合安全性能與抗震性能的需求和規(guī)定，從而可以證明這種設計思路是值得結構設計從業(yè)者使用推廣的。