某框支剪力墻結構的分析與構件設計

王云杰 （安徽省建筑設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230601）

0 前言

結構轉換由于受力復雜、不利于抗震，一直是結構設計中的難點。陳世澤[1]分析了大跨體育場結構設計中的大跨梁上轉換問題，熊進剛[2]等分析了高層建筑中的梁式轉換結構，傅學怡[3]總結了帶轉換層高層建筑結構的正確設計概念、方法和構造做法。在這些研究的基礎上，隨著電算能力的進步，用實體單元的有限元分析法對轉換結構進行分析成為可能，同時有限元模型與殼單元模型對比分析和包絡設計為轉換結構這一設計難點提供了新的解決方法。

1 工程概況

某高層住宅項目結構高度為94.2m，地面以上30層，地下3層。在結構2層部分剪力墻通過框支框架轉換將豎向荷載傳遞到基礎，建筑效果和結構模型分別如圖1和圖2所示。該工程的結構設計基準期為50年，結構安全等級為一級。抗震設防烈度為7度（0.15g），建筑場地類別為Ⅲ類，設計地震分組為第二組[4]，抗震設防類別為乙類。項目所在地50年一遇基本風壓0.45kN/m2，地面粗糙度類別為B類[5]。

圖1 建筑效果圖

圖2 結構模型

圖3 結構2層平面圖

圖4 結構3層平面圖

本文主要結合該項目，分別采用YJK模型和MIDAS實體單元模型對轉換層和轉換構件進行分析和設計。結構2層為轉換層如圖3所示，結構標準層如圖4所示。

2 轉換層的等效剪切剛度比

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）附錄 E.0.1[6]，轉換下層與轉換層上層結構的等效剪切剛度比宜接近1.0，不應小于0.5。表1給出了本結構轉換下層與上層結構的等效剪切剛度比，X方向為0.97，Y方向為0.73，均大于0.5，接近1.0。所以轉換下層與上層結構的等效剪切剛度比滿足規范要求。

3 實體模型分析

考慮到殼單元模型較難反映框支梁上墻體偏心造成的扭矩的不利影響，因此采用Midas軟件進行對比分析，利用實體單元模擬框支梁和框支柱，并按實際尺寸位置布置梁上墻體。為方便分析比較，將轉換構件分為三個區域進行編號，如圖5。

表2給出了Midas實體單元模型與YJK殼單元模型的整體分析。

轉換下層、上層結構等效剪切剛度比 表1

整體分析結果 表2

框支柱各荷載工況下的柱底軸力比較（單位：kN） 表3

框支梁各荷載工況下的支座剪力比較（單位：kN） 表4

圖5 框支構件實體單元模型示意圖

圖6 框支梁與框支柱編號

以上結果表明，Midas實體單元模型與YJK殼單元模型的整體分析結果接近。

4 框支構件設計

采用YJK軟件（殼單元模擬）和Midas軟件（實體單元模擬）分別對框支柱內力進行對比分析，分析得出兩種方法得到的內力，表3和表4分別給出了框支柱和框支梁在部分工況下的內力對比結果。框支構件編號見圖6。

表3結果表明，采用殼單元和實體單元模擬框支構件得到的柱大部分斷面的內力大致相同，其中各荷載工況下的柱軸力結果接近，而部分柱底剪力和彎矩略有差異，主要原因是殼單元模型與實體單元模型相比，柱端節點域的剛度與長度范圍存在差異。表4表明，采用殼單元和實體單元模擬框支構件得到的框支梁內力有所差異：兩個模型在各荷載工況下的梁端支座剪力比較接近，同時還應對轉換梁梁端支座彎矩支座扭矩進行對比，并根據結果進行包絡設計。

5 框支構件應力分析結果

為指導框支構件的配筋設計，確定需要加強配筋的部位，下面給出采用Midas實體單元分析得到的框支構件主拉應力結果。圖7給出了恒載框支框架混凝土主拉應力。

圖7 恒載作用下框支構件主拉應力

圖7表明，豎向荷載作用下，框支梁支座和跨中部位的主拉應力值較大。同時還應分析地震和風荷載作用下框支構件下的主拉應力，并對應力集中的位置在施工圖設計中采取加腋和加強配筋等措施。

6 結語

本文對某高層建筑中的轉換層及轉換構件進行了深入分析，采用實體單元模擬框支構件，按實際尺寸建立分析模型。將實體單元模型與殼單元模型的框支構件內力進行比較，確保框支構件內力結果準確，并根據實體單元應力分析結果采取局部加腋的加強措施。