某120 m高層公寓部分框支—剪力墻結構的設計

張 彪

(深圳市華陽國際工程設計股份有限公司長沙分公司，湖南 長沙 410000)

1 工程概況

某項目位于湖南省株洲市，由1棟高層公寓、7棟高層住宅及多層商業(yè)裙樓組成，設置一層地下室。本次研究對象為高層公寓，地上38層，地下1層，房屋結構高度為119.70 m。塔樓在西側附帶了兩跨3層裙房，14層和28層為避難層。地下1層層高為4.25 m，1層～3層為商業(yè)，1層層高為5.65 m，2層，3層層高為4.55 m，4層層高為3.45 m，其余標準層層高為3.00 m。

結構體系為部分框支—剪力墻結構，在4層樓面采用梁式轉換。梁式轉換層結構具有傳力直接、明確的特點，而且構造簡單、施工方便，是目前高層建筑中最常用的結構形式[1]。框支柱主要截面為1 300×1 200,1 300×1 500；落地剪力墻主要厚度為300 mm,400 mm，轉換層以上三層剪力墻主要厚度為200 mm,250 mm，標準層剪力墻厚度為200 mm；轉換梁主要截面為1 000×2 000,1 250×2 000。剪力墻和柱的混凝土等級為C30～C60；1層梁板的混凝土等級為C35，其余層為C30。轉換層的結構平面布置圖如圖1所示。

建筑結構的安全等級為二級，結構設計使用年限為50年。工程抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為6度，設計地震分組為第二組，設計基本地震加速度值為0.05g。建筑場地類別為Ⅱ類。地面粗糙度類別為C類，50年重現(xiàn)期基本風壓標準值為0.35 kN/m2，承載力設計時按基本風壓的1.1倍采用，雪荷載標準值為0.45 kN/m2。塔樓高寬比為5.1>4，且結構平面有6個凹槽，因此風荷載的體型系數(shù)取1.4。塔樓頂部設置有構架，風荷載體型取2.0。嵌固端選在基礎頂。轉換層的位置設置在3層，剪力墻底部加強部位取至轉換層以上兩層即5層，滿足大于房屋高度的1/10的要求。框支柱、剪力墻底部加強部位的抗震等級按高規(guī)表3.9.3的規(guī)定提高一級，故框支柱、轉換梁、底部加強部位剪力墻的抗震等級為二級，其余墻、柱、梁的抗震等級為三級。

2 建模、計算的關鍵點

2.1 轉換層上下構件的連接

為避免轉換層上下構件的節(jié)點對不上，建模時可將上部剪力墻的軸網(wǎng)作為轉換梁的軸網(wǎng)，這樣可保證上部結構的荷載可靠傳遞到轉換梁上。本工程外圍剪力墻由于建筑立面和功能的需要，剪力墻的截面為槽形，拐角比較多，導致上部剪力墻的節(jié)點與轉換層對不上。建模時將上部剪力墻的軸網(wǎng)拷貝到轉換層，在此軸網(wǎng)上設置100×100的剛性桿，把上下層構件連接起來，這樣上部剪力墻的荷載就會往下傳遞。

2.2 計算參數(shù)的設置

轉換層通常與其上幾層同時施工、同時拆模。在設置計算參數(shù)時，采用施工模擬三進行加載，并指定轉換層為第4層。此時盈建科軟件自動將轉換層與其上兩層(即5層和6層)設置為同一施工次序。另外，還需指定轉換層為薄弱層，薄弱層地震內力放大系數(shù)為1.25。

與普通的框架—剪力墻結構不同，框支—剪力墻結構框支柱的剪力應按JGJ 3—2010高層建筑混凝土結構技術規(guī)程[2](簡稱高規(guī))第10.2.17條進行調整，剪力的調整與框支柱的數(shù)目和框支層的層數(shù)有關。本工程每層共有26個框支柱，底部框支層為3層，故每層框支柱承受的剪力之和取結構基底剪力的30%。此外，頂部兩層建筑平面與標準層不一樣，結構布置時在頂部兩層設置了12個框架柱。標準層豎向構件全為剪力墻，無框架柱。頂部和底部的柱子數(shù)量相差較大，因此在剪力調整時將底部和頂部各分為一段，分別進行剪力調整。

2.3 特殊構件定義

在前處理過程中，把轉換層及其上一層的樓板指定為彈性膜，即樓板平面內按真實剛度考慮，平面外不考慮其剛度(剛度0)。特殊構件定義時，注意除了在轉換層指定框支柱以外，在轉換層以下也要指定框支柱。在抗震等級菜單欄，需要核對柱和梁的抗震等級，同時可以根據(jù)實際情況修改其抗震等級。

2.4 轉換梁截面的確定

轉換梁承受上部墻柱巨大的荷載，導致轉換梁經(jīng)常抗彎抗剪超限。解決轉換梁超限的辦法主要有：調整轉換梁上的墻柱布置、增大轉換梁截面、轉換梁加腋、增大框支墻洞口連梁剛度、提高轉換梁混凝土等級、梁端采用抗剪鋼板[3]等。本工程前期經(jīng)過試算，轉換梁截面需做到1 000～1 250×2 000才合理，轉換梁混凝土等級為C30。

2.5 轉換梁上剪力墻超筋的處理

轉換梁上剪力墻超筋是設計過程中常碰到的問題。解決剪力墻超筋的辦法主要有：調整轉換層以上的剪力墻布置，盡量均勻、對稱；增加剪力墻厚度；提高剪力墻的混凝土等級；加大轉換梁截面，增加轉換梁剛度等。本工程軸交軸處的Y向剪力墻原方案是通過次梁轉換，超筋較多。通過多次調整，效果仍不理想。后面經(jīng)過與建筑專業(yè)溝通，把這片剪力墻改為落地剪力墻，超筋問題得到解決，而且改動對建筑的使用功能影響不大。

3 結構指標

本工程采用北京盈建科軟件股份有限公司開發(fā)、研制的YJK結構設計軟件，進行整體內力、位移計算分析。對全樓采用剛性樓板假定，在考慮偶然偏心、雙向地震扭轉效應下，得出主要控制指標。本工程的剛重比為2.03(X方向)、2.42(Y方向)，大于1.4、小于2.7，需考慮重力二階效應。整體計算指標詳見表1，結果表明塔樓整體剛度較合理，周期比、層間位移角、結構扭轉位移比、等效側向剛度比、樓層抗剪承載力比等參數(shù)均滿足規(guī)范要求。

表1 塔樓的整體計算指標

依據(jù)《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》[4](建質[2015]67號)，本工程扭轉位移比大于1.2、小于1.4，為扭轉不規(guī)則(1a項)；上、下墻柱不連續(xù)，屬于構件間斷(第5項)，共存在兩項不規(guī)則，故不屬于超限高層。

4 加強措施

1)為了增加轉換層樓板和梁的協(xié)同作用，轉換層樓板的厚度適當加厚，取200 mm。轉換層樓板雙層雙向配筋，且每層每方向的配筋率不小于0.25%，樓板中鋼筋應錨固在邊梁或墻體內。

2)與轉換層相鄰樓層的樓板也適當加強，板厚取150 mm，并雙層雙向配筋，且每層每方向的配筋率不小于0.2%。加強轉換層上部相鄰樓板，能夠協(xié)調上部構件的變形，增強結構的整體性。

3)本工程通過地下室頂板與其他塔樓連為一體，在地下室頂板錯層位置采取斜向加腋進行加強，以增加結構的整體性，保證水平力的可靠傳遞。1層樓板厚度適當加厚，取200 mm，且每層每方向的配筋率不小于0.25%。塔樓與地下車庫相連的外圍柱和剪力墻，從固定端至2層樓面的高度范圍內，柱縱向鋼筋的最小配筋率適當提高，柱箍筋全高加密，剪力墻按高規(guī)7.2.15條設置約束邊緣構件，以提高其延性和變形能力。

5 結語

1)轉換梁上的墻柱節(jié)點與框支柱和轉換梁的節(jié)點對應不上時，可通過剪力剛性桿來連接構件，保證荷載的傳遞。

2)與普通的框架—剪力墻結構不同，部分框支—剪力墻結構框支柱的剪力調整與框支柱的數(shù)目和框支層的層數(shù)有關。當柱子數(shù)量沿高度方向變化較大時，應分段進行剪力調整。

3)轉換梁上墻柱超限時，可通過調整結構布置、增大轉換梁截面、提高混凝土等級等辦法解決。必要時，可與建筑專業(yè)等協(xié)商，對方案進行調整。

4)轉換層及其相鄰樓層的樓板適當加厚，并雙層雙向配筋，能夠協(xié)調轉換層與上部結構的變形，增強結構的整體性。

5)地下室頂板板厚和配筋宜適當加大，在錯層位置采取斜向加腋進行加強，以保證水平力的可靠傳遞。地下室頂板上下的墻柱配筋宜加強，提高其延性和變形能力。