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摘要: 部分框支剪力墙结构在高层建筑中应用及其设计方法。以某高层建筑为例，具体阐述了结构选型，重点分析了框支剪力墙结构分析，并针对框支剪力墙结构的特点给出了设计应采取的抗震措施。
关键词:高层建筑；部分框支剪力墙；结构分析；梁式转换；抗震措施
由于使用功能的需要，在建筑设计中，设计人员往往将建筑的底层或裙房屋顶花园设计成大空间的架空层、大堂或者会所等。而为了满足这种建筑使用功能的要求，通常在底部采用部分框支剪力墙结构。虽然近些年来这种结构体系应用广泛、技术也已经比较成熟，本文仅表达一些设计经验及体会。本文现以工程为例，对高层建筑带转换层的框支剪力墙结构设计进行探讨。
1工程概况
某高层建筑含1#楼、2#楼两栋住宅,总建筑面积53441m2，住宅层数分别为19和30层，地下一层，裙房两层商业，架空层一层,两栋转换层均设置在四层。住宅层高3m,2#建筑总高为96.95m,结构长宽比2.07~4.9,高宽比3.7~8.8。
由于建筑上部结构体系为剪力墙结构,由于上部的墙体与底层商业布置冲突,为了提高商业层的使用率,优化架空绿化层的使用效果,部分剪力墙不落地,形成部分框支剪力墙结构。
2结构选型
本工程高宽比较大,最大高宽比8.8,超过规范高宽比不大于6的建议值,造成上部墙体较密。如果上部墙体全部落地,势必对底层店面的布置造成较大的影响,因此部分剪力墙无法落地,为满足上述要求,必须采用带转换层的建筑结构。常见的转换结构有梁式转换、箱式转换、厚板转换、桁架式转换层,各种转换型式优缺点比较详表1:
表1不同转换层型式优缺点比较表
结合工程实际建筑布局情况,并考虑经济指标及施工难易程度,经过技术经济比较,决定采用梁式转换层结构型式,也可称为梁式框支剪力墙结构。重点阐述框支剪力墙结构的设计方法。
3结构分析的主要结果汇总及分析比较
3.1结构计算模型及程序
根据《高层建筑混凝土结构技术规程》5.1.13条,对带转换层的高层建筑结构应采用至少两个不同力学模型的三维空间分析软件进行整体内力位移計算,本工程结构整体分析采用的软件:
(1)PKPM-SATWE系列；
(2)PKPM-PMSAP系列；
3.2主要计算结果及比较与分析
3.2.1程序使用的注意事项
(1)在程序的前处理输入“结构体系”中选取“复杂高层”体系,则指明为底部带转换层高层建筑结构,同时定义转换梁所在楼层为“转换层”。
(2)程序特殊构件输入时应注意人工特别指定框支柱、框支梁。确保程序计算时能按相关规范规定,对转换构件在水平地震作用下的计算内力进行放大,对框支柱的水平地震剪力进行调整等。
(3)定义转换层及上下各一层楼板为“弹性膜”。由于托墙梁上部剪力墙的墙拱作用,会使下部托墙梁产生轴向拉力,如果楼板为刚性楼板假定,梁的轴力将被忽略。
(4)定义转换层及其上三层为同一模拟施工次序。通常转换层及其上几层同时施工、同时拆除模板，形成整体的结构刚度。
(5)《高层规程》10.2.7条规定了带转换层的高层结构,当每层框支柱的数目少于或多于10根时,框支柱承受的地震剪力应相应调整。因此程序前处理应对框支柱进行0.2Q调整。
(6)转换梁上墙体偏置者，为减少转换梁的扭矩尽量将该转换梁相邻板块板厚适当加厚。本工程将板厚部分板厚加到250~300mm厚。
3.2.2结构分析的主要结果
(1)地震及风荷载作用下计算结果如表2所示:
表22号楼结构分析主要结果对比表
SATWE和PMSAP的振型反应谱计算水平地震作用,结果基本吻合,指标基本满足规范要求。最大层间位移角均不超过1/1000,满足规范要求。
(2)采用弹性时程分析进行多遇地震下的补充计算:每条时程曲线计算所得的结构底部剪力大于振型分解反应谱法的结果的65%；多条时程曲线计算所得的结构底部剪力平均值大于振型分解反应谱法结果的80%；结构地震作用效应振型反应谱法计算的结果大于多条时程曲线计算结果的平均值。
(3)转换层上下楼层结构侧向刚度比计算。设计中控制转换层上下结构的侧向刚度比宜接近1,不大于2。按《高层规程》附录E方法计算的高位转换时本层侧向刚度不小于相邻上部楼层侧向刚度的60%，结构等效剪切刚度比为γx=0.74,γy=0.80；满足规范要求。
(4)框支剪力墙有限元分析。运用框支剪力墙有限元分析程序FEQ对框支梁,框支柱及相邻墙体进行有限元分析,结果见图1。
图1转换梁等应力图
从图1可见,框支梁偏心受拉特性明显,截面大部分应力为拉应力,框支梁跨中截面顶部区域虽然处于压应力状态,但数值不大。框支梁、框支柱配筋取整体计算和FEQ计算二者包络。
4抗震措施
4.1框支柱设计
本工程框支柱抗震等级为特一级,轴压比限值为0.6。框支柱主要截面取1000×1200,计算结果表明,所有框支柱的受力较为均匀,轴压比从0.35～0.40,因而,框支柱的变形一致性较好。框支柱的剪压比控制在0.12以内。柱内全部纵向钢筋的配筋率不小于1.2%,箍筋沿柱全高采用不小于Ф12@100井字复合箍,体积配箍率均不小于1.5%,使柱具有一定的延性,实现强剪弱弯。框支柱在上部墙体范围内的纵向钢筋伸入上部墙体内一层,其余柱筋锚入转换层梁或板内锚固长度要求≥LaE。
4.2剪力墙设计
尽可能多的剪力墙落地,必要时甚至可在底部增设部分剪力墙(不伸上去)。除核心筒部分剪力墙在底部必须设置外,还与建筑专业协商后,侧面和南面剪力墙尽量落地,增强了底部刚度。为改善混凝土的受压性能,增大延性,设计中控制墙肢的轴压比不大于0.5。落地剪力墙底部弯矩乘1.8放大系数,加大落地剪力墙的配筋率,墙体的水平和竖向分布筋除满足计算要求外,同时也满足0.3%的最小配筋率的限值。底部加强区的剪力墙中按规范要求设置约束边缘构件,约束边缘构件的纵筋配筋率控制≥1.2%,箍筋采用HRB400热轧钢筋,体积配箍率控制≥1.1%,经上述构造处理,确保了剪力墙的塑性铰出现在转换层以上。
4.3框支梁的设计
框支梁受力巨大且受力情况复杂,它不但是上下层荷载的传输枢纽,也是保证框支剪力墙抗震性能的关键部位,是一个复杂而重要的受力构件,因而在设计时应留有较多的安全储备,特一级抗震等级的框支梁纵筋配筋率不得小于0.60%。框支梁一般为偏心受拉构件,梁中有轴力存在,因而应配置足够数量的腰筋。腰筋采用Ф16,沿梁高间距不大于200mm,并且应可靠锚入支座内。框支梁受剪很大,而且对于这样的抗震重要部位,更应强调“强剪弱弯”原则,在纵筋已有一定富余的情况下,箍筋更应加强。箍筋不小于Ф12@100四肢箍全长加密,配箍率0.65%,满足高规框支梁面积含箍率不小于1.3ft/fyv的要求。
4.4转换层楼板的设计
框支剪力墙结构以转换层为分界,上下两部分的内力分布规律是不同的。在上部楼层,外荷载产生的水平力大体上按各片剪力墙的等效刚度比例分配；而在下部楼层,由于框支柱与落地剪力墙间的刚度差异,水平剪力主要集中在落地剪力墙上,即在转换层处荷载分配产生突变。转换层楼板承担着完成上下部分剪力重分配的任务；并且由于转换层楼板自身平面内受力很大,而变形也很大,所以转换层楼板必须有足够的刚度作保证。转换层楼板采用C40混凝土,厚度180mm，Ф10@150钢筋双层双向整板拉通,配筋率0.29%。部分转换梁上不剪力墙偏置的相邻板跨为了减少转换梁的扭矩将板厚适当加厚，本工程将板厚部分板厚加到250~300mm厚。另外,为了协助转换层楼板完成剪力重分配,将转换层上层楼板也适当加强,取厚度150mm。
5结束语
由于框支剪力墙结构属于不利于抗震的结构，设计重点应放在转换层。而转换层结构设计是结构设计的一个难点，更是不同形式结构体系转换的关键点，设计时应不断研究和进行方案比较。同时，框支剪力墙应采取抗震措施，保证建筑物的抗震性能，促进精品工程的完成。
参考文献
[1] 宣伟 朱杰江，海市某超限高层商住楼框支剪力墙结构设计[J]工程建设与设计，2003.11
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词:高层建筑；部分框支剪力墙；结构分析；梁式转换；抗震措施
由于使用功能的需要，在建筑设计中，设计人员往往将建筑的底层或裙房屋顶花园设计成大空间的架空层、大堂或者会所等。而为了满足这种建筑使用功能的要求，通常在底部采用部分框支剪力墙结构。虽然近些年来这种结构体系应用广泛、技术也已经比较成熟，本文仅表达一些设计经验及体会。本文现以工程为例，对高层建筑带转换层的框支剪力墙结构设计进行探讨。
1工程概况
某高层建筑含1#楼、2#楼两栋住宅,总建筑面积53441m2，住宅层数分别为19和30层，地下一层，裙房两层商业，架空层一层,两栋转换层均设置在四层。住宅层高3m,2#建筑总高为96.95m,结构长宽比2.07~4.9,高宽比3.7~8.8。
由于建筑上部结构体系为剪力墙结构,由于上部的墙体与底层商业布置冲突,为了提高商业层的使用率,优化架空绿化层的使用效果,部分剪力墙不落地,形成部分框支剪力墙结构。
2结构选型
本工程高宽比较大,最大高宽比8.8,超过规范高宽比不大于6的建议值,造成上部墙体较密。如果上部墙体全部落地,势必对底层店面的布置造成较大的影响,因此部分剪力墙无法落地,为满足上述要求,必须采用带转换层的建筑结构。常见的转换结构有梁式转换、箱式转换、厚板转换、桁架式转换层,各种转换型式优缺点比较详表1:
表1不同转换层型式优缺点比较表
结合工程实际建筑布局情况,并考虑经济指标及施工难易程度,经过技术经济比较,决定采用梁式转换层结构型式,也可称为梁式框支剪力墙结构。重点阐述框支剪力墙结构的设计方法。
3结构分析的主要结果汇总及分析比较
3.1结构计算模型及程序
根据《高层建筑混凝土结构技术规程》5.1.13条,对带转换层的高层建筑结构应采用至少两个不同力学模型的三维空间分析软件进行整体内力位移計算,本工程结构整体分析采用的软件:
(1)PKPM-SATWE系列；
(2)PKPM-PMSAP系列；
3.2主要计算结果及比较与分析
3.2.1程序使用的注意事项
(1)在程序的前处理输入“结构体系”中选取“复杂高层”体系,则指明为底部带转换层高层建筑结构,同时定义转换梁所在楼层为“转换层”。
(2)程序特殊构件输入时应注意人工特别指定框支柱、框支梁。确保程序计算时能按相关规范规定,对转换构件在水平地震作用下的计算内力进行放大,对框支柱的水平地震剪力进行调整等。
(3)定义转换层及上下各一层楼板为“弹性膜”。由于托墙梁上部剪力墙的墙拱作用,会使下部托墙梁产生轴向拉力,如果楼板为刚性楼板假定,梁的轴力将被忽略。
(4)定义转换层及其上三层为同一模拟施工次序。通常转换层及其上几层同时施工、同时拆除模板，形成整体的结构刚度。
(5)《高层规程》10.2.7条规定了带转换层的高层结构,当每层框支柱的数目少于或多于10根时,框支柱承受的地震剪力应相应调整。因此程序前处理应对框支柱进行0.2Q调整。
(6)转换梁上墙体偏置者，为减少转换梁的扭矩尽量将该转换梁相邻板块板厚适当加厚。本工程将板厚部分板厚加到250~300mm厚。
3.2.2结构分析的主要结果
(1)地震及风荷载作用下计算结果如表2所示:
表22号楼结构分析主要结果对比表
SATWE和PMSAP的振型反应谱计算水平地震作用,结果基本吻合,指标基本满足规范要求。最大层间位移角均不超过1/1000,满足规范要求。
(2)采用弹性时程分析进行多遇地震下的补充计算:每条时程曲线计算所得的结构底部剪力大于振型分解反应谱法的结果的65%；多条时程曲线计算所得的结构底部剪力平均值大于振型分解反应谱法结果的80%；结构地震作用效应振型反应谱法计算的结果大于多条时程曲线计算结果的平均值。
(3)转换层上下楼层结构侧向刚度比计算。设计中控制转换层上下结构的侧向刚度比宜接近1,不大于2。按《高层规程》附录E方法计算的高位转换时本层侧向刚度不小于相邻上部楼层侧向刚度的60%，结构等效剪切刚度比为γx=0.74,γy=0.80；满足规范要求。
(4)框支剪力墙有限元分析。运用框支剪力墙有限元分析程序FEQ对框支梁,框支柱及相邻墙体进行有限元分析,结果见图1。
图1转换梁等应力图
从图1可见,框支梁偏心受拉特性明显,截面大部分应力为拉应力,框支梁跨中截面顶部区域虽然处于压应力状态,但数值不大。框支梁、框支柱配筋取整体计算和FEQ计算二者包络。
4抗震措施
4.1框支柱设计
本工程框支柱抗震等级为特一级,轴压比限值为0.6。框支柱主要截面取1000×1200,计算结果表明,所有框支柱的受力较为均匀,轴压比从0.35～0.40,因而,框支柱的变形一致性较好。框支柱的剪压比控制在0.12以内。柱内全部纵向钢筋的配筋率不小于1.2%,箍筋沿柱全高采用不小于Ф12@100井字复合箍,体积配箍率均不小于1.5%,使柱具有一定的延性,实现强剪弱弯。框支柱在上部墙体范围内的纵向钢筋伸入上部墙体内一层,其余柱筋锚入转换层梁或板内锚固长度要求≥LaE。
4.2剪力墙设计
尽可能多的剪力墙落地,必要时甚至可在底部增设部分剪力墙(不伸上去)。除核心筒部分剪力墙在底部必须设置外,还与建筑专业协商后,侧面和南面剪力墙尽量落地,增强了底部刚度。为改善混凝土的受压性能,增大延性,设计中控制墙肢的轴压比不大于0.5。落地剪力墙底部弯矩乘1.8放大系数,加大落地剪力墙的配筋率,墙体的水平和竖向分布筋除满足计算要求外,同时也满足0.3%的最小配筋率的限值。底部加强区的剪力墙中按规范要求设置约束边缘构件,约束边缘构件的纵筋配筋率控制≥1.2%,箍筋采用HRB400热轧钢筋,体积配箍率控制≥1.1%,经上述构造处理,确保了剪力墙的塑性铰出现在转换层以上。
4.3框支梁的设计
框支梁受力巨大且受力情况复杂,它不但是上下层荷载的传输枢纽,也是保证框支剪力墙抗震性能的关键部位,是一个复杂而重要的受力构件,因而在设计时应留有较多的安全储备,特一级抗震等级的框支梁纵筋配筋率不得小于0.60%。框支梁一般为偏心受拉构件,梁中有轴力存在,因而应配置足够数量的腰筋。腰筋采用Ф16,沿梁高间距不大于200mm,并且应可靠锚入支座内。框支梁受剪很大,而且对于这样的抗震重要部位,更应强调“强剪弱弯”原则,在纵筋已有一定富余的情况下,箍筋更应加强。箍筋不小于Ф12@100四肢箍全长加密,配箍率0.65%,满足高规框支梁面积含箍率不小于1.3ft/fyv的要求。
4.4转换层楼板的设计
框支剪力墙结构以转换层为分界,上下两部分的内力分布规律是不同的。在上部楼层,外荷载产生的水平力大体上按各片剪力墙的等效刚度比例分配；而在下部楼层,由于框支柱与落地剪力墙间的刚度差异,水平剪力主要集中在落地剪力墙上,即在转换层处荷载分配产生突变。转换层楼板承担着完成上下部分剪力重分配的任务；并且由于转换层楼板自身平面内受力很大,而变形也很大,所以转换层楼板必须有足够的刚度作保证。转换层楼板采用C40混凝土,厚度180mm，Ф10@150钢筋双层双向整板拉通,配筋率0.29%。部分转换梁上不剪力墙偏置的相邻板跨为了减少转换梁的扭矩将板厚适当加厚，本工程将板厚部分板厚加到250~300mm厚。另外,为了协助转换层楼板完成剪力重分配,将转换层上层楼板也适当加强,取厚度150mm。
5结束语
由于框支剪力墙结构属于不利于抗震的结构，设计重点应放在转换层。而转换层结构设计是结构设计的一个难点，更是不同形式结构体系转换的关键点，设计时应不断研究和进行方案比较。同时，框支剪力墙应采取抗震措施，保证建筑物的抗震性能，促进精品工程的完成。
参考文献
[1] 宣伟 朱杰江，海市某超限高层商住楼框支剪力墙结构设计[J]工程建设与设计，2003.11
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。