部分框支剪力墻結構設計要點

劉縈棣

(上海中建建筑設計院有限公司，上海 200135)

1 引言

為了滿足高層建筑多功能、多用途的需要，如上部樓層為小開間的住宅或公寓，下部樓層為大開間的商場、餐館或停車場，可以采用部分框支剪力墻結構來滿足建筑的功能需求。部分框支剪力墻結構屬于一種復雜結構，在結構設計時有專門的技巧與規定。

2 框支剪力墻的結構布置

2.1 上部結構與框支柱的布置

大部分框支剪力墻結構的上部功能為住宅、下部功能為大型商業、開敞式辦公等要求大空間的結構。本文以某上部為住宅，下部為架空層的工程為例，介紹框支剪力墻的結構布置要點。該工程為地上33 層，地下2 層的住宅。建筑方案要求首層為架空層，要有良好的通透性和寬敞的活動空間。地下一層為私人會所，地下二層為停車庫，主樓投影范圍內要求能盡量多地留出停車的空間。因此，本工程要求采用部分框支剪力墻結構。

首先，根據建筑的平面，按常規的剪力墻結構初步布置剪力墻，如圖1所示。

剪力墻落在框支框架梁上的稱為直接轉換，也稱為主梁轉換；剪力墻通過次梁轉換的稱為次梁轉換，框支框架的軸線應盡量與上部剪力墻的主軸線對齊。在框支剪力墻設計中，應優先由采用主梁轉換。框支柱的間距太小將會影響底部幾層建筑的使用，但框支柱間距太大會使框支梁的高度太高，影響建筑的凈高。因此，框支柱的間距一般宜在6～10 m。樓梯間、電梯井的剪力墻由于建筑功能的要求是可以直接連續貫通落地的，通常是不需要轉換的。根據上述原則，結合底部架空層建筑功能的需要，先初步布置框支柱的位置，如圖2所示。

2.2 上部結構的剪力墻布置優化

確定好框支柱的柱網后，需要對上部剪力墻進行優化調整。首先，將非主框支梁上方的剪力墻去掉或縮短，因為次梁轉換的受力更復雜，所以盡量采用主梁轉換。其次，將主框支梁上方的剪力墻之間的洞口盡量去除。

2.3 轉換梁的布置

轉換梁的布置除了應滿足JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構技術規程》[1](以下簡稱 《高規》）10.2.8 條的規定以外，轉換梁的中線也與上部剪力墻的中心線重合，否則偏心布置的剪力墻會對轉換梁產生非常大的扭矩，使轉換梁處于彎剪扭的復雜受力狀態。對于采用部分框支剪力墻的建筑，在方案階段就需要考慮框支梁、框支柱凸出上部結構投影范圍的問題。框支梁的截面高度通常是由梁的抗剪承載力決定的。上部樓層數越多，轉換梁所需要的截面也越大，相應的，轉換層所需要的層高也就越高。轉換層的層高也對建筑有著很大的影響，在方案階段宜進行結構試算來確定轉換梁的高度。

圖3中的虛線表示轉換梁，粗實線為上部結構的剪力墻，灰色構件為落地剪力墻與轉換柱。

2.4 落地剪力墻的布置

由于框支框架的轉換，框支層上下豎向構件不連續，框支層上下剛度不連續，底部框架的抗側剛度較上部的剪力墻結構的剛度弱很多。因此，《高規》規定，在底部框支框架層應布置一定數量的落地剪力墻，以提高框支剪力墻結構的整體抗側能力。《高規》對轉換層上、下結構側向剛度有相應規定，也對落地的剪力墻有相應要求。

除了規范規定的落地剪力墻的布置要求，在實際工程應用中還應注意以下幾點：(1）建筑上下貫通的樓梯間、電梯井是布置落地剪力墻的首選位置；(2）宜優先選擇上部剪力墻貫通落地，這樣才能使底部剪力墻在大軸力的作用下有更高的抗剪承載力；(3）落地剪力墻在X、Y 兩個方向都應布置，而且兩個方向的結構抗側剛度應相近；(4）落地剪力墻軸線應盡量與框支框架梁軸線重合，形成帶邊框的剪力墻；(5）在保證框支層抗剪承載力、框支框架承擔的地震傾覆力矩百分比和樓層層間最大位移與層高之比滿足現行有關規定的基礎上，落地剪力墻的數量最少即為合理。

2.5 其他注意事項

(1）轉換層樓板厚度，應滿足《高規》10.2.23 條的規定。(2）轉換梁的受力以剪切變形為主。為了提高轉換梁的抗剪承載力，通常轉換梁的混凝土強度等級可取C40～C45。當轉換梁截面高度受限、地震烈度較高時，可以將轉換梁設置成型鋼混凝土梁。(3）如果轉換梁與設備管道井重疊，則需要在轉換層上一層將管道井放大，或者采用增厚建筑面層做同層排水處理，以此避免管道穿轉換梁，削弱轉換梁的剛度和受剪承載力。

3 部分框支剪力墻結構計算重點

3.1 部分框支剪力墻結構的抗震性能目標

提高結構或構件的抗震承載力和變形能力是提高結構抗震性能的有效途徑。對于復雜結構，提高關鍵部位結構的抗震安全性是抗震性能化設計的一項重要手段。

框支梁和框支柱在部分框支剪力墻結構中屬于重要的“關鍵”結構構件，因此，參考GB 50011—2001《建筑抗震設計規范》(2016年版）[2]3.10 條以及附錄M，對框支梁和框支柱宜按“中震彈性”或“中震不屈服”設計。對應的性能目標就是在設防烈度地震(“中震”）作用下，框支梁及框支柱仍處理彈性或不屈服的狀態。

3.2 采用多種計算模型進行不同目標的分析

3.2.1 結構整體計算

部分框支剪力墻結構屬于復雜結構，計算時應采用兩種空間分析軟件，對主體結構進行整體分析比較，以保證力學分析的可靠性。計算地震作用時采用考慮空間扭轉耦聯的振型分解反應譜法。

在對結構進行整體指標計算時，采用全樓剛性樓板假定。計算結構轉換層上、下側向剛度比，以滿足規范要求；結構配筋設計時應采用非強制剛性樓板假定，計算結構內力，然后進行施工圖設計。

3.2.2 彈性時程分析

《高規》第5.1.13 條規定：“抗震設計時，復雜高層建筑結構應采用彈性時程分析法進行補充計算”。當時程分析得到的剪力值大于振型分解反應譜計算的結果時，應在振型分解反應譜中通過剪力放大系數把相當樓層的剪力放大。

3.2.3 彈塑性靜力或彈塑性動力分析

彈塑性靜力或彈塑性動力分析是實現抗震設計 “大震不倒”目標的基本分析方法。結構在大震作用時，結構變形加大，部分構件進入塑性狀態，其P-Δ 效應已經不能忽略，幾何非線性程度加大，此時已經不能再采用線彈性分析的方法[3]。所以規范要求對于復雜高層結構宜采用彈塑性靜力或彈塑性動力分析方法補充計算。

3.3 計算中模型的參數設置

(1）在計算軟件(PKPM、YJK）中應在前處理模塊中指定“轉換柱”“轉換梁”；(2）轉換梁應該考慮軸向變形的影響，計算時轉換層樓板定義為彈性樓板，考慮樓板的面內剛度，計算轉換梁軸力；(3）框支轉換結構屬于豎向不規則結構，其轉換層強制定義為薄弱層，薄弱層放大系數按10.2.4 條選取，此時與結構剛度比值無關；(4）轉換層梁剛度放大系數，宜取為1.0；(5）為了使轉換梁與上部剪力墻變形協調更加合理，墻元細分最大控制長度應盡量取小，宜取1 m。

3.4 轉換梁的應力分析

根據《高規》10.1.5 條的規定：“復雜高層建筑結構中的受力復雜部位，尚宜進行應力分析，并按應力進行配筋設計校核。”

在各種常用的結構分析軟件中，都對框支梁的應力分析有專門的計算手段。例如，在PKPM 中建模時可以用墻體代替轉換梁，然后程序會將轉換梁同剪力墻一樣劃分單元進行計算，然后再按梁配筋計算結果的形式顯示；YJK 在后處理中指定了“轉換梁”以后，會自動對轉換梁進行單元劃分并進行應力計算。

4 轉換層的施工注意要點

4.1 混凝土模板支撐工程

框支層的層高通常都在5 m 以上，因此，框支梁屬于一項危大工程。框支梁的截面通常都比較大，框支梁的模板屬于承受超重荷載的模板，必須對模板工程進行專項設計，必須對模板工程安裝編制專項方案，來控制施工過程安全與質量問題。若采用常規模板支撐靠下層結構支撐施工荷載，必須經過計算，如果超過樓板的設計荷載，則應將支撐撐至地下室底板。

4.2 混凝土工程

框支梁和框支柱的鋼筋配筋量通常很大，有時還會配置鋼骨，因此，框支梁和框支柱的混凝土可將骨料粒徑適當減小。

框支梁通常都屬于大體積混凝土，設計時應在結構設計說明中注明大體積混凝土的施工要求。施工前應做好施工組織，分段分層澆筑時嚴禁出現冷縫，澆筑時應分層振搗密實。梁柱混凝土強度不同時應做好接茬處理，保證節點核心區的混凝土強度與澆筑質量。

5 結語

本文以某框支剪力墻結構為例，論述了上部剪力墻布置與框支梁、框支柱布置、計算和設計的方法和要點，在實際項目應用中應根據結構的特點進行多種方案比例，以得到安全、可靠、經濟、合理的結構。