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摘要: 本文主要分析了框支剪力墙结构高层住宅建筑抗震设计。
关键词: 框支剪力墙; 结构设计；抗震构造
中图分类号：TB482文献标识码： A
1、工程概况
某工程由7栋32层住宅楼组成。地下室3 层，为车库及设备用房; 首层架空层，层高为6.3 m; 2层以上为住宅，层高为3m。本工程设计使用年限为50年，安全等级为二级，建筑物抗震类别丙类; 基本风压为0.70kN/m2( 50年一遇) ，100年一遇风压为0.77 kN/m2 ; 地面粗糙度为B类; 地震设防烈度: 7度，设计地震基本加速度值:0.1 g，设计地震分组: 第一组。
2、结构设计及构造措施
底层框架柱网及落地剪力墙的布置是本工程的关键，世界上许多国家在地震中总结出的一条教训是: 底层柔弱的房屋抗震性能低，破坏严重。因此在布置柱网及剪力墙时根据《高层建筑混凝土结构技术规程》中的要求，在尽量满足建筑的使用功能的前提下，保证结构构件有充分的竖向承载能力及侧向刚度; 特别对于底部大空间结构应注意防止结构沿竖向的刚度过于悬殊而降低其抗震性能; 剪力墙力求对称、均匀、成组的布置，结构体系传力途径力求简捷明确。综合上述各方面的因素，本工程底层框架柱网尽量与上部剪力墙对齐，使剪力墙能落在框架梁上，以保证竖向荷载及倾覆力矩能直接通过框架柱传给基础。在布置落地剪力墙时以电梯及楼梯间、消防电梯及管井形成剪力墙筒体，其余位置适当布置剪力墙，经与建筑专业反复商量推敲使得底层剪力墙的布置在不影响建筑的使用功能的前提下最大的满足结构的设计要求。
2.1 抗震等级的确定
在确定抗震等级对，框支剪力墙结构中转换层以上剪力墙按一般剪力墙结构的抗震等级取用，框支层框架和框支层落地抗震墙底部加强部位的抗震等级应按现行建筑抗震设计规范予以提高。本工程为7度抗震设防，转换层以上非底部加强部位剪力墙及底部加强部位剪力墙抗等级按一级，转换层以下的框支框架按特一级。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》( JGJ3－2002) 中第4.8.1条的规定，丙类建筑应符合本地区抗震设防烈度要求。当建筑场地为I类时，除6 度外，应允许按本地区抗震设防烈度降低一度的要求采取抗震构造措施。
2.2 转换层结构布置
目前结构转换层的做法有: 厚板转换层结构、巨型梁转换层结构、巨型桁架转换结构等型式。在工程实践中，以转换梁的型式最常见，它设计和施工简单，受力明确，广泛应用于底层大空间剪力墙结构中，本工程经比较采用了巨型梁转换层结构型式。它是用大梁将上部剪力墙托住，托梁由框支柱支承。
由于建筑物周边地形原因，3层地下室有一个侧面不是全部埋在地面以下，所以偏于安全的考虑建筑物的计算高度，从地下室负3层的地面标高算起，建筑主体高度为112.2 m。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3－2002) 中规定本工程已经属于B级高度。考虑到型钢混凝土结构具有更大的结构承载能力及良好的结构延性，变形能力和耗能能力较强，可以有效地控制结构转换层的刚度突变，为减小转换层下部附近层的层间位移起到了较显著的作用，所以本设计底部框支梁與框支柱决定采用型钢混凝土结构。作为解决超限问题的一种措施，是本设计的重要组成部分。底部框支柱的钢骨采用实腹式十字型钢，框支梁的钢骨采用工字型钢。同时在转换层以下，通过加厚落地核心筒的墙体厚度( 核心筒外壁厚度600 mm) 以及提高框支层墙柱的混凝土强度等级，同时在建筑的左右两翼增设两道落地剪力墙，使抗侧力结构的侧向刚度和承载力不会产生太大的突变。
底层剪力墙截面尺寸的确定: 除满足竖向承载力作用下轴压比限值外，依据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3－2002) 中第10.2.3条的规定，通过计算上、下层等效剪切刚度比γ(γ=(G2A2 /G1A1)×(h1/h2) ，式中G1、G2为底层和转换层上层的混凝土剪变模量，A1、A2为底层和转换层上层的折算抗剪截面面积，h1、h2为一层、二
层层高，以γ不大于2为原则，调整底层剪力墙的厚度，本工程经按上述方法计算调整，底层剪力墙厚度为600mm。
2. 3 标准层结构布置
标准层墙柱布置时尽量使结构的刚度中心与质量中心重合，以减少地震作用下的扭转效应，因此把剪力墙均匀布置在建筑物的周边。平面形状变化尤其凹凸较大时，在凸出部分的端部附近布置剪力墙，同时增强边角部位剪力墙的刚度，加大平面远端刚度。结合楼梯间及电梯间布置筒形剪力墙，用来结构控制位移，提高抗震性能。并且在布置剪力墙时纵横剪力墙尽量组成L形T形，在纵横两个主轴方向上使剪力墙刚度基本上一致。在设计过程中，与建筑专业紧密配合，尽量使上部墙体直接落在框支柱或框架转换梁上，而不随便采用次梁转换。标准层结构的竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度自下而上逐渐减小，混凝土强度等级由C45渐变至C30。剪力墙厚度由300mm 渐变至200mm。
标准层住宅在外围剪力墙局部开设角窗，削弱了剪力墙结构体系的整体性，针对这一不利因素，在角窗处设置了1200mm 高的梁( 上翻600 mm) ，以提高在地震作用下的结构的整体抗扭能力。标准层的核心筒位于平面中心，电梯间开洞使楼面有较大的削弱，结构设计时将核心筒内楼板板厚加厚至150 mm，并采取双层双向配筋，以加强其刚度。
3、结构计算及结果分析
本工程采用中国建筑科学研究院PKPM系列SATWE软件计算分析，以TAT软件作对比分析。两者总体计算结果比较接近，但是墙体的局部内力及配筋存在差异。由于SATWE的墙元模型假设更符合实际情况，因此以SATWE的计算结构为施工图的主要设计依据。
3. 1 振型及周期
本工程计算振型数为24个，计算结果显示抗震计算时的振型参与质量与总质量之比为: X 向为96.05%，Y向为96.01%; 可见计算时采用的振型数是足够的。计算基本周期及扭转因子，空间振型的周期: T1 =2.82( Y 方向平动系数1.0; T2 = 2.49; X 向平动系数0.98);T3 = 2.18(扭转系数0.98) 。根据大量工程实例的统计，正常情况下框架剪力墙结构的第一自振周期大概范围为: T1= (0.08 ～0.12) n(n为建筑物的层数) ，本工程第一振型的周期约为0. 09n 属于在正常范围之内。按刚性楼板假定进行结构整体计算时，在考虑偶然偏心影响的地震作用下，结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，B级高度高层建筑不应大于0.85。本工程扭转周期比Tt1/T1= 0.773，满足规范要求结构的水平位移在规范的允许范围之内，结构的刚度合理。
本工程存在着一定的扭转不规则，即在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与楼层平均值之比超过1.2倍，但是其比值较小(＜1.31) ，特别是塔楼部分普遍都小于1.25，最大值都在裙楼。这是由于裙楼处的水平刚度较大，其平均层位移很小，但是由于裙楼质心到端部尺寸很大，尽管扭转角很小也容易造成扭转不规则指标超限。考虑到裙楼的层间位移绝对值都很小，层间位移角值比规范限基本小一倍以上，因此，对于整个结构的影响是比较小的。
3. 2 转换层刚度比
刚度比计算选用剪切刚度参数计算，转换层上部结构与下部结构的侧向刚度比为: X方向γ= 1.198，Y 方向、γ= 1.182，转换层上下层侧向刚度比较小; 转换层上下层的
层间位移角比较接近，在转换层处还是实现了侧向刚度渐变的要求的。
3.3 动力时程分析
本工程采用SATWE 程序进行动力时程分析，对结构进行了补充设计。波形采用mmw－ 3、lan3－3，lan5－3以层间剪力和层间变形为主要控制指标。与振型分解法结果相
比，大部分楼层墙、梁配筋基本一致，说明整个结构的刚度设计合理。设计中对薄弱楼层的配筋采取了加强措施。
结束语：
1) 底层框架柱网及落地剪力墙的布置是框支剪力墙结构的关键，应充分重视选择合适的结构转换层型式，对薄弱层部位从抗震承载力和延性两方面采取措施提高抗震性能。同时应注重概念设计，采取必要的加强措施从整体上形成良好的结构抗震体系。
2) 型钢混凝土结构具有更大的结构承载能力及良好的结构延性，变形能力和耗能能力较强，设计中可考虑在结构重要位置采用钢骨混凝土结构等高强高效的结构型式，在提高结构延性的同时可以减小梁柱的截面。
3) 控制好转换层上下结构的侧向刚度比是框支剪力墙结构设计的关键问题之一，适当加大底部落地剪力墙厚度或适当减少转换层以上剪力墙的数量、长度是有效调整转换层上下结构侧向刚度比的方法之一。
4) 结构刚度太大，使得结构构件地震作用变大而导致配筋量增加，造成浪费; 结构刚度太小，会使结构在正常使用条件下位移偏大，影响承载力、稳定性和使用。应合理布置构件，满足刚度适宜原则，既要满足安全度要求，又要使结构具备一定的延性，改善结构的变形能力。
关键词: 框支剪力墙; 结构设计；抗震构造
中图分类号：TB482文献标识码： A
1、工程概况
某工程由7栋32层住宅楼组成。地下室3 层，为车库及设备用房; 首层架空层，层高为6.3 m; 2层以上为住宅，层高为3m。本工程设计使用年限为50年，安全等级为二级，建筑物抗震类别丙类; 基本风压为0.70kN/m2( 50年一遇) ，100年一遇风压为0.77 kN/m2 ; 地面粗糙度为B类; 地震设防烈度: 7度，设计地震基本加速度值:0.1 g，设计地震分组: 第一组。
2、结构设计及构造措施
底层框架柱网及落地剪力墙的布置是本工程的关键，世界上许多国家在地震中总结出的一条教训是: 底层柔弱的房屋抗震性能低，破坏严重。因此在布置柱网及剪力墙时根据《高层建筑混凝土结构技术规程》中的要求，在尽量满足建筑的使用功能的前提下，保证结构构件有充分的竖向承载能力及侧向刚度; 特别对于底部大空间结构应注意防止结构沿竖向的刚度过于悬殊而降低其抗震性能; 剪力墙力求对称、均匀、成组的布置，结构体系传力途径力求简捷明确。综合上述各方面的因素，本工程底层框架柱网尽量与上部剪力墙对齐，使剪力墙能落在框架梁上，以保证竖向荷载及倾覆力矩能直接通过框架柱传给基础。在布置落地剪力墙时以电梯及楼梯间、消防电梯及管井形成剪力墙筒体，其余位置适当布置剪力墙，经与建筑专业反复商量推敲使得底层剪力墙的布置在不影响建筑的使用功能的前提下最大的满足结构的设计要求。
2.1 抗震等级的确定
在确定抗震等级对，框支剪力墙结构中转换层以上剪力墙按一般剪力墙结构的抗震等级取用，框支层框架和框支层落地抗震墙底部加强部位的抗震等级应按现行建筑抗震设计规范予以提高。本工程为7度抗震设防，转换层以上非底部加强部位剪力墙及底部加强部位剪力墙抗等级按一级，转换层以下的框支框架按特一级。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》( JGJ3－2002) 中第4.8.1条的规定，丙类建筑应符合本地区抗震设防烈度要求。当建筑场地为I类时，除6 度外，应允许按本地区抗震设防烈度降低一度的要求采取抗震构造措施。
2.2 转换层结构布置
目前结构转换层的做法有: 厚板转换层结构、巨型梁转换层结构、巨型桁架转换结构等型式。在工程实践中，以转换梁的型式最常见，它设计和施工简单，受力明确，广泛应用于底层大空间剪力墙结构中，本工程经比较采用了巨型梁转换层结构型式。它是用大梁将上部剪力墙托住，托梁由框支柱支承。
由于建筑物周边地形原因，3层地下室有一个侧面不是全部埋在地面以下，所以偏于安全的考虑建筑物的计算高度，从地下室负3层的地面标高算起，建筑主体高度为112.2 m。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3－2002) 中规定本工程已经属于B级高度。考虑到型钢混凝土结构具有更大的结构承载能力及良好的结构延性，变形能力和耗能能力较强，可以有效地控制结构转换层的刚度突变，为减小转换层下部附近层的层间位移起到了较显著的作用，所以本设计底部框支梁與框支柱决定采用型钢混凝土结构。作为解决超限问题的一种措施，是本设计的重要组成部分。底部框支柱的钢骨采用实腹式十字型钢，框支梁的钢骨采用工字型钢。同时在转换层以下，通过加厚落地核心筒的墙体厚度( 核心筒外壁厚度600 mm) 以及提高框支层墙柱的混凝土强度等级，同时在建筑的左右两翼增设两道落地剪力墙，使抗侧力结构的侧向刚度和承载力不会产生太大的突变。
底层剪力墙截面尺寸的确定: 除满足竖向承载力作用下轴压比限值外，依据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3－2002) 中第10.2.3条的规定，通过计算上、下层等效剪切刚度比γ(γ=(G2A2 /G1A1)×(h1/h2) ，式中G1、G2为底层和转换层上层的混凝土剪变模量，A1、A2为底层和转换层上层的折算抗剪截面面积，h1、h2为一层、二
层层高，以γ不大于2为原则，调整底层剪力墙的厚度，本工程经按上述方法计算调整，底层剪力墙厚度为600mm。
2. 3 标准层结构布置
标准层墙柱布置时尽量使结构的刚度中心与质量中心重合，以减少地震作用下的扭转效应，因此把剪力墙均匀布置在建筑物的周边。平面形状变化尤其凹凸较大时，在凸出部分的端部附近布置剪力墙，同时增强边角部位剪力墙的刚度，加大平面远端刚度。结合楼梯间及电梯间布置筒形剪力墙，用来结构控制位移，提高抗震性能。并且在布置剪力墙时纵横剪力墙尽量组成L形T形，在纵横两个主轴方向上使剪力墙刚度基本上一致。在设计过程中，与建筑专业紧密配合，尽量使上部墙体直接落在框支柱或框架转换梁上，而不随便采用次梁转换。标准层结构的竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度自下而上逐渐减小，混凝土强度等级由C45渐变至C30。剪力墙厚度由300mm 渐变至200mm。
标准层住宅在外围剪力墙局部开设角窗，削弱了剪力墙结构体系的整体性，针对这一不利因素，在角窗处设置了1200mm 高的梁( 上翻600 mm) ，以提高在地震作用下的结构的整体抗扭能力。标准层的核心筒位于平面中心，电梯间开洞使楼面有较大的削弱，结构设计时将核心筒内楼板板厚加厚至150 mm，并采取双层双向配筋，以加强其刚度。
3、结构计算及结果分析
本工程采用中国建筑科学研究院PKPM系列SATWE软件计算分析，以TAT软件作对比分析。两者总体计算结果比较接近，但是墙体的局部内力及配筋存在差异。由于SATWE的墙元模型假设更符合实际情况，因此以SATWE的计算结构为施工图的主要设计依据。
3. 1 振型及周期
本工程计算振型数为24个，计算结果显示抗震计算时的振型参与质量与总质量之比为: X 向为96.05%，Y向为96.01%; 可见计算时采用的振型数是足够的。计算基本周期及扭转因子，空间振型的周期: T1 =2.82( Y 方向平动系数1.0; T2 = 2.49; X 向平动系数0.98);T3 = 2.18(扭转系数0.98) 。根据大量工程实例的统计，正常情况下框架剪力墙结构的第一自振周期大概范围为: T1= (0.08 ～0.12) n(n为建筑物的层数) ，本工程第一振型的周期约为0. 09n 属于在正常范围之内。按刚性楼板假定进行结构整体计算时，在考虑偶然偏心影响的地震作用下，结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，B级高度高层建筑不应大于0.85。本工程扭转周期比Tt1/T1= 0.773，满足规范要求结构的水平位移在规范的允许范围之内，结构的刚度合理。
本工程存在着一定的扭转不规则，即在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与楼层平均值之比超过1.2倍，但是其比值较小(＜1.31) ，特别是塔楼部分普遍都小于1.25，最大值都在裙楼。这是由于裙楼处的水平刚度较大，其平均层位移很小，但是由于裙楼质心到端部尺寸很大，尽管扭转角很小也容易造成扭转不规则指标超限。考虑到裙楼的层间位移绝对值都很小，层间位移角值比规范限基本小一倍以上，因此，对于整个结构的影响是比较小的。
3. 2 转换层刚度比
刚度比计算选用剪切刚度参数计算，转换层上部结构与下部结构的侧向刚度比为: X方向γ= 1.198，Y 方向、γ= 1.182，转换层上下层侧向刚度比较小; 转换层上下层的
层间位移角比较接近，在转换层处还是实现了侧向刚度渐变的要求的。
3.3 动力时程分析
本工程采用SATWE 程序进行动力时程分析，对结构进行了补充设计。波形采用mmw－ 3、lan3－3，lan5－3以层间剪力和层间变形为主要控制指标。与振型分解法结果相
比，大部分楼层墙、梁配筋基本一致，说明整个结构的刚度设计合理。设计中对薄弱楼层的配筋采取了加强措施。
结束语：
1) 底层框架柱网及落地剪力墙的布置是框支剪力墙结构的关键，应充分重视选择合适的结构转换层型式，对薄弱层部位从抗震承载力和延性两方面采取措施提高抗震性能。同时应注重概念设计，采取必要的加强措施从整体上形成良好的结构抗震体系。
2) 型钢混凝土结构具有更大的结构承载能力及良好的结构延性，变形能力和耗能能力较强，设计中可考虑在结构重要位置采用钢骨混凝土结构等高强高效的结构型式，在提高结构延性的同时可以减小梁柱的截面。
3) 控制好转换层上下结构的侧向刚度比是框支剪力墙结构设计的关键问题之一，适当加大底部落地剪力墙厚度或适当减少转换层以上剪力墙的数量、长度是有效调整转换层上下结构侧向刚度比的方法之一。
4) 结构刚度太大，使得结构构件地震作用变大而导致配筋量增加，造成浪费; 结构刚度太小，会使结构在正常使用条件下位移偏大，影响承载力、稳定性和使用。应合理布置构件，满足刚度适宜原则，既要满足安全度要求，又要使结构具备一定的延性，改善结构的变形能力。