论文部分内容阅读
摘要：本文针对呼和浩特维多利时尚广场1 号住宅楼框支剪力墙结构设计，将上部部分剪力墙通过转换层变为框支剪力墙，用框架柱代替剪力墙以满足建筑功能的要求，形成底部大空间。重点就部分框支剪力墙结构的平面布置、竖向布置、转换构件选择和布置进行了讨论，对比分析了SATWE 和 PASAP 以及ETABS三种程序计算结果。
关键词：部分框支剪力墙结构；结构布置；计算要点；构造措施
0.引言
部分框支剪力墙结构是由落地剪力墙或剪力墙筒体和框支柱组成的协同工作结构体系。这类结构类型由于底部几层有较大的空间，能适用于各种建筑的使用功能要求。因此，广泛应用于底层为商店、餐厅，上部为住宅、公寓、饭店、综合楼等高层建筑。为了满足建筑功能的要求，结构必须设置转换层进行结构转换，在建筑物下部形成一层或多层的大空间，通过结构转换层，用框架柱代替剪力墙以满足建筑功能的要求。但是，这种结构在受力上也有明显的缺点：传力不直接，结构竖向刚度变化很大，甚至是突变，地震作用下易形成结构薄弱层，加上构造复杂，给结构设计带来较大难度。
1. 工程简介
维多利时尚广场项目位于呼和浩特市车站东街。设整体地下室2层，层高分别为4.2米（地下二层）和5.7米（地下一层）；整体地下室上布置4栋高层建筑。其中1#楼建筑面积28000m2，地上28层，1～3层为商场，层高分别为6.6m，4.5m，4.5m，3 层以上为住宅，层高为3.0m。地面以上总高 90.6m。因地面以上1～3层为商业用房，需要尽可能大的自由灵活空间。因此，结构体系采用部分框支剪力墙结构，于第3层顶设置梁式转换层。
设计采用的基本参数：基本风压为0.60kN/m2，基本雪压为0.40kN/m2，地面粗糙度为C 类，抗震设防烈度为8 度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为0.20g，拟建场地为Ⅱ类场地。主要构件尺寸，框支层落地剪力墙厚度400mm～500mm，框支柱为1100mm×1100mm 的钢骨混凝土柱，框支梁1000mm×1800mm钢骨混凝土梁，标准层剪力墙厚度200mm、300mm。转换层上下结构布置见图一和图二（本工程为对称结构，图中表示其左半部分）：
2.概念设计与结构布置
本工程1～3层为商场，抗震设防类别为乙类；4～顶层为住宅（公寓），抗震设防类别为丙类。转换层以下为框架剪力墙结构，转换层以上为剪力墙结构，地下二层抗震等级为三级，地下1层～5层剪力墙及框支框架抗震等级为特一级，6～顶层抗震等级为一级。设计时从以下几个方面作为概念设计的出发点。
2.1 平面布置
平面布置力求简单、规则、均匀对称，尽量使质量中心与结构刚度中心重合，以避免或减少扭转产生的不利影响。本工程在楼梯间及电梯间较薄弱处，均布置有落地剪力墙并形成了落地筒体，在建筑物两端和中部也设置了落地剪力墙，使得落地剪力墙间距满足《高规》的相关规定。墙体布置既分散又均匀。
2.2 竖向布置
由于呼和浩特市抗震设防烈度较高（8度），尽量避免采用次梁转换，所以在进行结构竖向布置时主要采取了如下措施：首先尽量减少上部住宅在非主梁位置剪力墙的数量，一部分墙体采用陶粒填充墙体，这样就减少了需要转换的剪力墙数量，同时也使得下部商业空间更加自由；其次控制转换层上、下刚度的突变，应尽量强化转换层下部的结构侧向刚度，弱化转换层上部的结构侧向刚度，使转换层上下部的结构侧向刚度及变形特征尽量接近。本工程主要需要转换Y向剪力墙，X向大多数剪力墙可以落地，经过反复调整转换层上下剪力墙布置及落地剪力墙的厚度，本工程最终计算结果，Y 方向转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比为0.91，满足规范要求，且转换层上下部的结构的等效侧向刚度基本接近，能够有效的缓解构件内力和变形的突变。
2.3 转换构件选择及布置
转换层是建筑物中不同结构形式相连的关键点，它既是下部结构的封顶，又是上部结构的“空中基础”，在整个建筑结构体系中起着至关重要的连接纽带作用。由于结构竖向传力构件的不连续，造成结构上部荷载不能直接传给下部对应构件，而是通过转换结构的内力重分配，再向下传递。因此，转换构件相当重要而且受力复杂，必须保证转换构件可靠有效的工作。因此，在布置转换层上下主体竖向结构时，要注意尽可能使水平转换结构传力直接，转换层上部的竖向抗侧力构件（墙、柱）宜直接落在转换层的主结构上，尽量避免多级复杂转换。梁式转换受力明确，传力简洁，计算模型简单，计算软件比较成熟，而且施工方便，因此本工程设计采用梁式转换，同时由于本地区设防烈度为8度，且在三层顶进行结构转换，属高位转换，根据《高规》相关条文的规定，框支柱、框支梁以及落地剪力墙边缘构件均采用钢骨混凝土。并且因建筑功能需要，下部框架柱网应相对规整，方便商场的功能划分。结合上部住宅户型的实际情况，使转换框架尽量与上部墙体对齐，同时加厚转换层楼板的厚度（200～300mm），从而增加楼板的刚度，加强框支梁与落地剪力墙的联系。对转换层以下楼板适当加厚
3 计算要点
3.1 一般规定
部分框支剪力墙结构是复杂的三维空间受力体系，竖向刚度变化大，受力复杂，易形成薄弱部位。其内力和位移应能符合下列要求，根据结构实际情况，确定较能反映结构中各构件的实际受力状况的力学模型，选择合适的三维空间分析软件进行整體分析，在此基础上采用有限元方法对转换层结构进行局部补充计算，取得详细的应力分布，决定框支梁、柱和附近墙体内的配筋，同时除进行常规的多遇地震设计外，根据《规范》的相关规定，需采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算。对重要构件（如框支梁、框支柱、落地剪力墙）进行中震抗剪弹性、抗弯不屈服验算。还需要对结构作罕遇地震下弹塑性位移计算，最大层间位移角应满足规范要求，并对薄弱部位采取加强配筋。抗震计算时，考虑平扭耦连计算结构的扭转效应。本工程整体结构计算时采用中国建筑科学研究院研制开发的PKPM 系列结构计算软件 SATWE和PMSAP程序进行计算，用国际通用的有限元软件ETABS 程序对主要结果进行了校核。对转换层楼板以弹性楼板单元来描述（仅用于内力和配筋计算），可以较准确的算出楼板变形对梁、柱、墙的影响。最终主要分析结果见下表。 SATWE、PMSAP、ETABS主要计算分析结果
由上表分析结果可得出：
1）三种软件计算结果较接近，可以相互参考；2）底部剪力和底部弯矩比较接近，说明地震作用计算相当；3）三种计算结果均未发现较大的扭转作用，结构前两个振型均以平动为主，第三振型以扭转为主。第一扭转周期与第一平动周期的比值远小于0.85。说明结构平面布置合理，质心和刚心较接近；4）转换层上下等效侧向刚度比（剪弯刚度）在1左右，表明转换后过渡平稳，同时上部结构无明显薄弱层，说明结构竖向布置匀称，刚度变化适度5）最大层间位移角满足规范要求，同时位移比均小于1.2，位移控制较好。
3.2内力调整
计算分析表明，在转换层以下，落地剪力墙的刚度远大于框支柱，落地剪力墙承担了大部分地震作用，框支柱的剪力很小。但在实际工程中，转换层露面会有显著的面内变形，从而使框支柱的剪力显著增加。且框支柱作为抗震设防的第二道防线，在落地剪力墙出现裂缝后其刚度下降，也导致框支柱剪力增加。所以内力分析后，需按《高规》10.2.7对框支柱的剪力进行调整。框支柱剪力调整后，相应调整框支柱的弯矩及柱端梁（不包括框支梁）的剪力和弯矩，框支柱的轴力可不调整。由于转换层上部楼层侧向刚度较大，所以1～3层按薄弱层考虑，将地震力放大1.15倍。框支梁承载很大且受力复杂，是整个结构的关键受力构件，框支梁按偏心受拉构件进行承载力及变形计算。应将传递给水平转换构件的地震作用放大1.8倍。另外还需按照《规范》相关规定结合不同的抗震等级对结构构件进行内力调整。
3.3 构件的截面设计
首先框支柱、框支梁以及落地墙受力较大，如按普通钢筋混凝土构件设计，势必需要很大的截面。其次转换层以下侧向刚度相对较弱；基于以上原因框支柱和框支梁采用钢骨混凝土浇注，在落地墙的边缘构件内也配置钢骨。这样同时大大改善了转换层以下结构的延性。另外对地下室顶板、转换层楼板应特别加强（厚度不小于180mm，采用双层双向配筋，配筋率不小于0.6%）；对一、二层顶板以及四层顶板也做适当加强（板厚不小于150mm，采用双层双向配筋，配筋率不小于0.4%）。除进行结构的整体计算分析外，框支梁以及其上四层剪力墙应采用局部高精度有限元进行应力分析，按应力校核配筋，并加强构造配筋措施。框支柱是转换梁的支撑构件，其上作用的荷载比较大，而且，往往转换梁刚度比框支柱大得多，为保证结构破坏不出现柱铰机构的不利破坏形态，必须保证框支柱有足够的延性和变形能力，以耗散地震能量，减轻震害，因此严格控制框支柱的轴压比（本工程最大轴压比控制在0.5左右），适当提高体积配箍率和纵筋配筋率，柱箍筋全高加密。适当加强落地墙以及转换层以上两层剪力墙配筋，除满足计算要求外，转换层以下落地墙墙身分布筋配筋率不小于0.6%，转换层以上两层剪力墙墙身分布筋配筋不小于0.4%，并按规范加强构造做法。
4 结论
通过对维多利时尚广场1 号住宅楼框支剪力墙结构设计，总结出：
1）对于复杂结构体系，必须认真做好概念设计工作，分析结构特点和难点，尽可能做到受力明确，传力直接。找出简洁可靠的结构处理方式，做出总体结构布置；
2）总体结构计算的结果是对总体概念设计的量化和证实，因此，结构计算的模型应能较好的反映结构的实际受力状态；应采用不同的计算软件进行计算分析，并对比和分析其计算结果。
3）对重要部位和关键构件，应提出切合实际的抗震性能化设计目标，进行必要的局部分析，采取相应的处理措施，注意其构件设计的特殊性，以保证其可靠度。
參考文献：
[1]高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ3-2002
[2]建筑抗震设计规范 GB50011-2001
[3]型钢混凝土组合结构技术规程 JGJ 138-2001
[4]混凝土结构设计规范 GB 50010-2002
[5]徐培福主编 复杂高层建筑结构设计 中国建筑工业出版社--2005
[6]张维斌主编 多层及高层钢筋混凝土结构设计释疑及工程实例 中国建筑工业出版社—2005
关键词：部分框支剪力墙结构；结构布置；计算要点；构造措施
0.引言
部分框支剪力墙结构是由落地剪力墙或剪力墙筒体和框支柱组成的协同工作结构体系。这类结构类型由于底部几层有较大的空间，能适用于各种建筑的使用功能要求。因此，广泛应用于底层为商店、餐厅，上部为住宅、公寓、饭店、综合楼等高层建筑。为了满足建筑功能的要求，结构必须设置转换层进行结构转换，在建筑物下部形成一层或多层的大空间，通过结构转换层，用框架柱代替剪力墙以满足建筑功能的要求。但是，这种结构在受力上也有明显的缺点：传力不直接，结构竖向刚度变化很大，甚至是突变，地震作用下易形成结构薄弱层，加上构造复杂，给结构设计带来较大难度。
1. 工程简介
维多利时尚广场项目位于呼和浩特市车站东街。设整体地下室2层，层高分别为4.2米（地下二层）和5.7米（地下一层）；整体地下室上布置4栋高层建筑。其中1#楼建筑面积28000m2，地上28层，1～3层为商场，层高分别为6.6m，4.5m，4.5m，3 层以上为住宅，层高为3.0m。地面以上总高 90.6m。因地面以上1～3层为商业用房，需要尽可能大的自由灵活空间。因此，结构体系采用部分框支剪力墙结构，于第3层顶设置梁式转换层。
设计采用的基本参数：基本风压为0.60kN/m2，基本雪压为0.40kN/m2，地面粗糙度为C 类，抗震设防烈度为8 度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为0.20g，拟建场地为Ⅱ类场地。主要构件尺寸，框支层落地剪力墙厚度400mm～500mm，框支柱为1100mm×1100mm 的钢骨混凝土柱，框支梁1000mm×1800mm钢骨混凝土梁，标准层剪力墙厚度200mm、300mm。转换层上下结构布置见图一和图二（本工程为对称结构，图中表示其左半部分）：
2.概念设计与结构布置
本工程1～3层为商场，抗震设防类别为乙类；4～顶层为住宅（公寓），抗震设防类别为丙类。转换层以下为框架剪力墙结构，转换层以上为剪力墙结构，地下二层抗震等级为三级，地下1层～5层剪力墙及框支框架抗震等级为特一级，6～顶层抗震等级为一级。设计时从以下几个方面作为概念设计的出发点。
2.1 平面布置
平面布置力求简单、规则、均匀对称，尽量使质量中心与结构刚度中心重合，以避免或减少扭转产生的不利影响。本工程在楼梯间及电梯间较薄弱处，均布置有落地剪力墙并形成了落地筒体，在建筑物两端和中部也设置了落地剪力墙，使得落地剪力墙间距满足《高规》的相关规定。墙体布置既分散又均匀。
2.2 竖向布置
由于呼和浩特市抗震设防烈度较高（8度），尽量避免采用次梁转换，所以在进行结构竖向布置时主要采取了如下措施：首先尽量减少上部住宅在非主梁位置剪力墙的数量，一部分墙体采用陶粒填充墙体，这样就减少了需要转换的剪力墙数量，同时也使得下部商业空间更加自由；其次控制转换层上、下刚度的突变，应尽量强化转换层下部的结构侧向刚度，弱化转换层上部的结构侧向刚度，使转换层上下部的结构侧向刚度及变形特征尽量接近。本工程主要需要转换Y向剪力墙，X向大多数剪力墙可以落地，经过反复调整转换层上下剪力墙布置及落地剪力墙的厚度，本工程最终计算结果，Y 方向转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比为0.91，满足规范要求，且转换层上下部的结构的等效侧向刚度基本接近，能够有效的缓解构件内力和变形的突变。
2.3 转换构件选择及布置
转换层是建筑物中不同结构形式相连的关键点，它既是下部结构的封顶，又是上部结构的“空中基础”，在整个建筑结构体系中起着至关重要的连接纽带作用。由于结构竖向传力构件的不连续，造成结构上部荷载不能直接传给下部对应构件，而是通过转换结构的内力重分配，再向下传递。因此，转换构件相当重要而且受力复杂，必须保证转换构件可靠有效的工作。因此，在布置转换层上下主体竖向结构时，要注意尽可能使水平转换结构传力直接，转换层上部的竖向抗侧力构件（墙、柱）宜直接落在转换层的主结构上，尽量避免多级复杂转换。梁式转换受力明确，传力简洁，计算模型简单，计算软件比较成熟，而且施工方便，因此本工程设计采用梁式转换，同时由于本地区设防烈度为8度，且在三层顶进行结构转换，属高位转换，根据《高规》相关条文的规定，框支柱、框支梁以及落地剪力墙边缘构件均采用钢骨混凝土。并且因建筑功能需要，下部框架柱网应相对规整，方便商场的功能划分。结合上部住宅户型的实际情况，使转换框架尽量与上部墙体对齐，同时加厚转换层楼板的厚度（200～300mm），从而增加楼板的刚度，加强框支梁与落地剪力墙的联系。对转换层以下楼板适当加厚
3 计算要点
3.1 一般规定
部分框支剪力墙结构是复杂的三维空间受力体系，竖向刚度变化大，受力复杂，易形成薄弱部位。其内力和位移应能符合下列要求，根据结构实际情况，确定较能反映结构中各构件的实际受力状况的力学模型，选择合适的三维空间分析软件进行整體分析，在此基础上采用有限元方法对转换层结构进行局部补充计算，取得详细的应力分布，决定框支梁、柱和附近墙体内的配筋，同时除进行常规的多遇地震设计外，根据《规范》的相关规定，需采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算。对重要构件（如框支梁、框支柱、落地剪力墙）进行中震抗剪弹性、抗弯不屈服验算。还需要对结构作罕遇地震下弹塑性位移计算，最大层间位移角应满足规范要求，并对薄弱部位采取加强配筋。抗震计算时，考虑平扭耦连计算结构的扭转效应。本工程整体结构计算时采用中国建筑科学研究院研制开发的PKPM 系列结构计算软件 SATWE和PMSAP程序进行计算，用国际通用的有限元软件ETABS 程序对主要结果进行了校核。对转换层楼板以弹性楼板单元来描述（仅用于内力和配筋计算），可以较准确的算出楼板变形对梁、柱、墙的影响。最终主要分析结果见下表。 SATWE、PMSAP、ETABS主要计算分析结果
由上表分析结果可得出：
1）三种软件计算结果较接近，可以相互参考；2）底部剪力和底部弯矩比较接近，说明地震作用计算相当；3）三种计算结果均未发现较大的扭转作用，结构前两个振型均以平动为主，第三振型以扭转为主。第一扭转周期与第一平动周期的比值远小于0.85。说明结构平面布置合理，质心和刚心较接近；4）转换层上下等效侧向刚度比（剪弯刚度）在1左右，表明转换后过渡平稳，同时上部结构无明显薄弱层，说明结构竖向布置匀称，刚度变化适度5）最大层间位移角满足规范要求，同时位移比均小于1.2，位移控制较好。
3.2内力调整
计算分析表明，在转换层以下，落地剪力墙的刚度远大于框支柱，落地剪力墙承担了大部分地震作用，框支柱的剪力很小。但在实际工程中，转换层露面会有显著的面内变形，从而使框支柱的剪力显著增加。且框支柱作为抗震设防的第二道防线，在落地剪力墙出现裂缝后其刚度下降，也导致框支柱剪力增加。所以内力分析后，需按《高规》10.2.7对框支柱的剪力进行调整。框支柱剪力调整后，相应调整框支柱的弯矩及柱端梁（不包括框支梁）的剪力和弯矩，框支柱的轴力可不调整。由于转换层上部楼层侧向刚度较大，所以1～3层按薄弱层考虑，将地震力放大1.15倍。框支梁承载很大且受力复杂，是整个结构的关键受力构件，框支梁按偏心受拉构件进行承载力及变形计算。应将传递给水平转换构件的地震作用放大1.8倍。另外还需按照《规范》相关规定结合不同的抗震等级对结构构件进行内力调整。
3.3 构件的截面设计
首先框支柱、框支梁以及落地墙受力较大，如按普通钢筋混凝土构件设计，势必需要很大的截面。其次转换层以下侧向刚度相对较弱；基于以上原因框支柱和框支梁采用钢骨混凝土浇注，在落地墙的边缘构件内也配置钢骨。这样同时大大改善了转换层以下结构的延性。另外对地下室顶板、转换层楼板应特别加强（厚度不小于180mm，采用双层双向配筋，配筋率不小于0.6%）；对一、二层顶板以及四层顶板也做适当加强（板厚不小于150mm，采用双层双向配筋，配筋率不小于0.4%）。除进行结构的整体计算分析外，框支梁以及其上四层剪力墙应采用局部高精度有限元进行应力分析，按应力校核配筋，并加强构造配筋措施。框支柱是转换梁的支撑构件，其上作用的荷载比较大，而且，往往转换梁刚度比框支柱大得多，为保证结构破坏不出现柱铰机构的不利破坏形态，必须保证框支柱有足够的延性和变形能力，以耗散地震能量，减轻震害，因此严格控制框支柱的轴压比（本工程最大轴压比控制在0.5左右），适当提高体积配箍率和纵筋配筋率，柱箍筋全高加密。适当加强落地墙以及转换层以上两层剪力墙配筋，除满足计算要求外，转换层以下落地墙墙身分布筋配筋率不小于0.6%，转换层以上两层剪力墙墙身分布筋配筋不小于0.4%，并按规范加强构造做法。
4 结论
通过对维多利时尚广场1 号住宅楼框支剪力墙结构设计，总结出：
1）对于复杂结构体系，必须认真做好概念设计工作，分析结构特点和难点，尽可能做到受力明确，传力直接。找出简洁可靠的结构处理方式，做出总体结构布置；
2）总体结构计算的结果是对总体概念设计的量化和证实，因此，结构计算的模型应能较好的反映结构的实际受力状态；应采用不同的计算软件进行计算分析，并对比和分析其计算结果。
3）对重要部位和关键构件，应提出切合实际的抗震性能化设计目标，进行必要的局部分析，采取相应的处理措施，注意其构件设计的特殊性，以保证其可靠度。
參考文献：
[1]高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ3-2002
[2]建筑抗震设计规范 GB50011-2001
[3]型钢混凝土组合结构技术规程 JGJ 138-2001
[4]混凝土结构设计规范 GB 50010-2002
[5]徐培福主编 复杂高层建筑结构设计 中国建筑工业出版社--2005
[6]张维斌主编 多层及高层钢筋混凝土结构设计释疑及工程实例 中国建筑工业出版社—2005