淺析梁式框支剪力墻結(jié)構(gòu)墻體的合理布置

殷偉鋒

摘要：本文作者采用抗震概念設(shè)計方法，通過梁式部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計實例，并結(jié)合自身的工程設(shè)計經(jīng)驗，對在結(jié)構(gòu)設(shè)計中如何有效合理地進行墻體的平面布置進行了分析，以供設(shè)計者參考。

關(guān)鍵詞：概念設(shè)計;部分框支剪力墻;梁式轉(zhuǎn)換;墻體布置

在高層建筑中，為了滿足建筑底部樓層大空間的功能需求，上部小開間剪力墻結(jié)構(gòu)樓層中部分墻體不能直接貫通落地，中間必須通過設(shè)置轉(zhuǎn)換層，由框支梁承托不落地墻體并轉(zhuǎn)換過渡至相鄰的框支柱落地，形成梁式部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，體系中框支柱、框支梁、上部墻體和落地墻體通過轉(zhuǎn)換層附近樓板聯(lián)成一體，協(xié)同工作，共同承受豎向和水平向荷載。部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)能夠提供底部多層較大的功能空間，適用于多種功能的空間組合，使用靈活方便，近年來在高層建筑中得到了廣泛應用。但此類結(jié)構(gòu)是反常規(guī)設(shè)計，受力上有著明顯的缺點，存在著多處抗震的薄弱環(huán)節(jié)，在地震作用下轉(zhuǎn)換層較易形成薄弱層，因此如何有效地彌補結(jié)構(gòu)的不足，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的安全、經(jīng)濟、適用，已成為結(jié)構(gòu)設(shè)計師的當務之急。而轉(zhuǎn)換層上下主體結(jié)構(gòu)墻體的平面布置作為部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵，直接決定著工程質(zhì)量的優(yōu)劣。筆者采用抗震概念設(shè)計方法，并結(jié)合自身的設(shè)計經(jīng)驗，通過梁式轉(zhuǎn)換的工程實例，對如何有效合理地進行墻體的平面布置，提出了一些自己的看法，并結(jié)合結(jié)構(gòu)性能指標，進行了深入的探討。

梁式部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)傳力路徑為框支墻→框支梁→框支柱，受力傳力較明確，工作可靠，構(gòu)造簡單，施工方便，而且轉(zhuǎn)換層還可形成一定的建筑、設(shè)備的可利用空間，是目前應用最為廣泛的一種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。但梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的不足在于，首先，轉(zhuǎn)換導致上下層部分豎向構(gòu)件不連續(xù)，改變了對外荷載的傳力路徑，導致傳力不直接，局部應力復雜;其次，將上部抗側(cè)剛度很大的框支墻轉(zhuǎn)換為下部抗側(cè)剛度相對較小的框支柱，豎向剛度發(fā)生突變，形成下柔上剛的不利結(jié)構(gòu)形式。由于結(jié)構(gòu)存在的缺點，往往引起轉(zhuǎn)換層上下樓層的構(gòu)件內(nèi)力、位移角發(fā)生突變，在轉(zhuǎn)換處較易形成薄弱層或軟弱層，對結(jié)構(gòu)的抗震較為不利。為了改善結(jié)構(gòu)的受力性能，提高結(jié)構(gòu)的抗震能力，就必須對墻體的平面布置進行抗震概念設(shè)計，整體把控協(xié)調(diào)，優(yōu)化其布置。

一、墻體布置的概念設(shè)計

（一）受力傳力簡單直接。墻體布置時，應上下結(jié)構(gòu)統(tǒng)籌考慮，整體協(xié)調(diào)，盡量使水平轉(zhuǎn)換梁的受力傳力比較簡單直接，路徑比較清晰明確。轉(zhuǎn)換層上部一般為小開間剪力墻結(jié)構(gòu)的住宅、公寓，由于墻體承載力較大、剛度較高，宜布置成較大開間，而適宜的較大跨度對轉(zhuǎn)換的合理性也較為有利，因此上部墻體一般應間隔一定的間距分散均勻布置，開間過小過密時可采用隔跨布置，盡量做到跨度適宜，能充分發(fā)揮墻體承載能力。分散的上部結(jié)構(gòu)墻體應盡量與下部主軸線相對應，直接落在轉(zhuǎn)換層的主框支梁上，避免多級復雜轉(zhuǎn)換，縮短傳力路徑，這樣既能減輕上部結(jié)構(gòu)的自重，達到整體剛度適宜，又能便于下部結(jié)構(gòu)框支柱的優(yōu)化布置，最大化利用功能空間。

（二）減少墻體轉(zhuǎn)換。布置上下結(jié)構(gòu)墻體時，應結(jié)合建筑平面，兼顧結(jié)構(gòu)的合理性，盡量做到墻體上下連續(xù)，貫通落地，也可和建筑專業(yè)協(xié)商結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化。在不降低建筑品質(zhì)的情況下，盡量減少墻體的轉(zhuǎn)換，特別是周邊墻體，而角部墻體不應轉(zhuǎn)換。一般情況下，可控制下部落地墻體的面積不少于上部墻體面積的50%。墻體應盡可能布置在上下主體結(jié)構(gòu)均適宜的部位，能上下貫通的盡量貫通，這樣既可以保證結(jié)構(gòu)的傳力直接、剛度連續(xù)，又可以做到經(jīng)濟合理。設(shè)計中為了保持轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)的剛度匹配，過渡平緩，可對上下連續(xù)的墻體，在轉(zhuǎn)換層以上進行適度的減薄減短。

（三）上部墻體的合理布置。結(jié)合建筑的平面布局，上部的周邊外墻盡量設(shè)置轉(zhuǎn)角翼緣，墻體上門窗洞口盡量位于轉(zhuǎn)換梁跨中，洞邊墻體宜布置翼緣墻、端柱或墻體加厚，盡量不采用無連梁相連的單片墻、短肢墻。上部墻體應符合簡單規(guī)則，均勻?qū)ΨQ，周邊布置的原則，盡量使樓層水平荷載中心與結(jié)構(gòu)剛度中心接近，減少扭轉(zhuǎn)的不利影響。在滿足規(guī)范層間位移角及軸壓比限值的前提下，盡量壓縮不落地墻體的長度及厚度。墻體高寬比可控制略大于8，厚度限值可控制到200mm，墻體與框支梁截面中線宜重合，盡量做到不偏心。轉(zhuǎn)換層內(nèi)的墻體應力分布復雜，作用尤為重要。為了將上部外荷載通過該部分墻體可靠傳遞到下部樓層，在該層墻體中不宜布設(shè)邊門洞，也不宜在中柱上方布設(shè)門洞。

（四）下部墻體的合理布置。結(jié)合建筑的平面布局，下部落地墻體兩端宜布置翼墻或端柱，在不影響建筑品質(zhì)的情況下，盡量縱橫結(jié)合，組合布置，截面可采用L，T，十字形等形式，能形成落地筒最佳。樓電梯間及管道井處，可充分利用周邊落地墻組合成筒體。建筑的四個角部也盡量做成落地墻筒。下部墻體的最大間距應符合規(guī)范要求，所承擔的地震傾覆力矩，應大于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的50%。落地墻體宜分布較為均勻，盡量沿平面周邊布置，以增大結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度及抗扭剛度，每片墻承擔的水平剪力宜盡量接近。下部墻體盡量不開洞，若須開洞盡量開小洞，防止剛度削弱過大，洞口位置宜布置在墻體的中部，上下對齊。落地墻體和框支柱宜均勻?qū)ΨQ布置，間距滿足規(guī)范要求，以符合下部大空間樓層樓板平面內(nèi)剛度的要求，使上部樓層的剪力能可靠有效地傳遞給落地墻體及框支柱。結(jié)構(gòu)剛度偏心也應控制，以免地震中由于扭轉(zhuǎn)效應而使框支柱嚴重損壞。

⑸. 加強下部，削弱上部。對于部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，應使轉(zhuǎn)換層上下主體結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度、變形特征及樓層剪力盡量接近，結(jié)構(gòu)整體性能指標在轉(zhuǎn)換處能平緩過渡，設(shè)計中一般采用轉(zhuǎn)換處上下相鄰樓層層間位移角比來控制上下結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力和位移的突變。根據(jù)結(jié)構(gòu)剛度的分布特征，采取優(yōu)化措施，一是加強下部大空間的剛度：合理壓縮層高，加長加厚落地墻體，提高混凝土強度等級，必要時可在房屋角部及周邊適當位置增設(shè)補償墻體，也可增設(shè)樓梯間墻體，與周邊墻段圍成筒體，增設(shè)部分可只延伸至轉(zhuǎn)換層樓面;二是削弱上部結(jié)構(gòu)的剛度：在性能指標滿足規(guī)范的前提下，適當加大層高，盡可能削弱不落地墻體，優(yōu)化墻體布置，對過長的墻體進行適度開洞、開口等。

二、工程實例一

（一）工程概況

本工程位于湖南省張家界市，為一棟地下1層，地上23層的高層建筑。地下一層為大地庫及設(shè)備用房，層高為4.3m;一至二層為商場，一層層高為5.3m，二層層高為4.4m;三至二十三層為住宅，三層層高為3.25m，四至二十三層層高均為2.95m，主體結(jié)構(gòu)總高度為72.150m。該工程為標準設(shè)防類建筑，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，設(shè)計使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計基本地震加速度為0.05g，設(shè)計地震分組為第一組，特征周期Tg=0.35秒，設(shè)計基本風壓為W0=0.30 KN/m2，場地類別為Ⅱ類，地面粗糙度類別為B類，鋼筋均采用HRB400級鋼筋，填充墻體采用燒結(jié)多孔頁巖磚。

（二）結(jié)構(gòu)方案

分析工程概況和建筑功能，考慮結(jié)構(gòu)合理性，確定結(jié)構(gòu)方案。首先，結(jié)構(gòu)體系采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層設(shè)置在地上二層，轉(zhuǎn)換構(gòu)件采用框支主次梁，二層以下為框支剪力墻結(jié)構(gòu)，三層及以上為剪力墻結(jié)構(gòu);其次，結(jié)構(gòu)的嵌固部位設(shè)置在±0.000，即地下室頂板處，這樣既能使結(jié)構(gòu)傳力受力明確清晰，又能做到經(jīng)濟合理;再次，與建筑協(xié)商，上部住宅戶型墻體盡量縱橫向拉通對齊，均勻規(guī)整，減少結(jié)構(gòu)多級復雜轉(zhuǎn)換;再次，構(gòu)造加強轉(zhuǎn)換層以上三層的剪力墻，墻體盡量設(shè)置轉(zhuǎn)角翼墻，并盡量保證框支柱范圍內(nèi)有剪力墻;再次，嚴格控制框支柱和落地剪力墻的軸壓比，加強結(jié)構(gòu)的承載能力和延性;最后，部分結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換構(gòu)件采用寬梁，承托上部對稱多墻及轉(zhuǎn)角翼緣短墻，減少轉(zhuǎn)換次數(shù)，改善結(jié)構(gòu)受力性能。

（三）結(jié)構(gòu)構(gòu)件

⑴. 剪力墻：二層以下的剪力墻，截面厚度為400mm，抗震等級為三級，混凝土強度等級為C40;三～四層的剪力墻，截面厚度為200mm，抗震等級為三級，混凝土強度等級為C40;五層的剪力墻，截面厚度為200mm，抗震等級為四級，混凝土強度等級為C40;六層以上的剪力墻，截面厚度為200mm，抗震等級為四級，混凝土強度等級為C30。

⑵. 框支柱：截面尺寸為800mm×800mm和800mm×1400mm，抗震等級為二級，混凝土強度等級為C40。

⑶. 框支梁：框支主梁截面尺寸為750mm×800～1300mm，1400mm×1300mm，框支次梁截面尺寸為600mm×850mm，抗震等級為二級，混凝土強度等級為C35。

⑷. 樓板：一層樓板（地下室頂板）厚度為180mm，二層樓板厚度為120mm，三層樓板（轉(zhuǎn)換層樓板）厚度為180mm，四層樓板厚度為120mm，屋面板厚度為120mm，其余樓板厚度為100～110mm，三層樓板混凝土強度等級為C35，其余均為C30。

（四）結(jié)構(gòu)措施

根據(jù)概念設(shè)計的原則，采取以下措施：

⑴根據(jù)建筑平面，上部住宅部分墻體厚度取為200mm，按照周邊，角部，對稱，均勻，分散的原則，大開間布置L，T等截面形式的一般剪力墻，并盡量沿縱橫向拉通對齊，規(guī)整布置。建筑角部的墻體均結(jié)合平面布置成L形，并構(gòu)造加長，以提高結(jié)構(gòu)的整體抗扭能力。由于住宅戶型X向墻體偏少，在不影響建筑品質(zhì)的情況下盡量多在X向布置長墻肢，并整體控制X和Y向墻體的合適比例，使結(jié)構(gòu)在兩個主軸方向上的動力特性盡量接近。除控制軸壓比及減少梁跨需要外，墻長肢長度取為1650mm，翼緣短肢長度取為600mm，盡量不布置短肢墻和一字形墻。

⑵結(jié)合轉(zhuǎn)換層下部二層商場的平面，上部住宅墻體盡量布置于主軸線的框支主梁上，轉(zhuǎn)換次數(shù)一般控制在1次，局部受建筑戶型限制，必須設(shè)置框支次梁，也應控制轉(zhuǎn)換次數(shù)在2次以內(nèi)。墻體布置優(yōu)選較短的轉(zhuǎn)換傳力路徑，框支主次梁截面選取也應保證必要剛度，減少受載時框支梁的位移，確保計算準確。在轉(zhuǎn)換復雜處，采用十字交叉框支次梁，確保受力傳力準確合理。

⑶結(jié)合轉(zhuǎn)換層下部二層商場的平面，在不影響建筑品質(zhì)的情況下，建筑角部及樓電梯間，墻體采用L形等受力較好的截面形式，盡量直接貫通落地，組成落地筒，也可和附近框支柱結(jié)合，組成帶端柱的落地墻。其余落地墻按照周邊均勻分散對稱的原則，與附近框支柱結(jié)合布置，并調(diào)整好樓層的剛心和質(zhì)心盡量接近，減少扭轉(zhuǎn)的不利影響。

⑷轉(zhuǎn)換層以上剪力墻結(jié)構(gòu)住宅有二十一層，根據(jù)軸壓比的計算數(shù)據(jù)，適當分段，從下到上逐段縮減墻肢和降低混凝土強度等級，做到結(jié)構(gòu)豎向平緩過渡，既減輕結(jié)構(gòu)自重，又使結(jié)構(gòu)剛度適宜。

⑸計算準確全面。本工程采用SATWE和PMSAP進行結(jié)構(gòu)分析計算，并進行了彈性時程補充分析，對轉(zhuǎn)換層樓板還進行了應力分析。在結(jié)構(gòu)模型計算中，考慮雙向地震和偶然偏心作用進行整體分析;控制振型數(shù)量，充分考慮高振型的不利影響;指定框支柱和框支梁;指定一層至轉(zhuǎn)換層以上兩層為彈性模;指定轉(zhuǎn)換層為薄弱層;構(gòu)件的抗震等級進行復核指定。

（五）結(jié)構(gòu)布置

按照結(jié)構(gòu)方案及結(jié)構(gòu)措施確定的原則，運用概念設(shè)計方法，先擬定結(jié)構(gòu)構(gòu)件，后進行構(gòu)件的平面布置，建立結(jié)構(gòu)模型，通過反復演算修正，對性能指標及構(gòu)件尺寸不斷優(yōu)化調(diào)整，最終得到比較完善合理的結(jié)構(gòu)平面布置圖。

轉(zhuǎn)換層以下，結(jié)構(gòu)X和Y向側(cè)向剛度合適，承載力分布均勻，平面剛心與質(zhì)心接近。建筑角部及樓電梯間，墻體直接貫通落地，并與附近框支柱組合布置，形成L形和帶端柱的墻肢截面形式。其他落地墻也按照周邊、對稱、均勻、分散布置，均與框支柱組合，形成帶端柱的墻肢截面形式。梁板墻柱配筋合理，墻柱

三、結(jié)語：

通過工程實例的設(shè)計實踐，我們認識到部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計是一個復雜的過程，而結(jié)構(gòu)墻體的布置是決定整個結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)劣的關(guān)鍵一環(huán)。在以后的同類建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，我們應該根據(jù)具體的工程概況，以概念設(shè)計為原則，以規(guī)范標準為依據(jù)，科學地布置剪力墻，通過相關(guān)專業(yè)的緊密配合、模型數(shù)據(jù)的反復優(yōu)化，找出結(jié)構(gòu)的薄弱部位，有的放矢地加以修正，最大化減少客觀條件的不利影響，在實現(xiàn)建筑功能及美觀的同時，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全可靠，經(jīng)濟合理。

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