论底部大空间剪力墙结构的设计

摘要：本文结合工程案例，针对高层建筑底部大空间剪力墙结构设计问题进行了相关探讨，主要对结构选型、整体计算模型以及转换构件设计做了分析。

关键词：剪力墙结构；构造选型；转换构件

剪力墙结构有较多的墙体，室内不露出梁、柱，适合住宅、旅馆、客房的建筑功能要求。且其有良好的抗震性能和较好的经济技术指标，因而得到广泛应用。但是，住宅建筑的底层需要设置商店等公共用途的大房间。旅馆下层也需安排门厅、餐厅、会议厅及其它大空间。因此，如何解决剪力墙结构底部楼层设置大房间，一直是建筑和结构两方面都非常关心的问题。

1工程概况

某综合性高层建筑，总建筑面积138560.35m2，分A、B、C三区，地下2层；地上27层。建筑物的安全等级为二级，基本风压为0.35kN/m2，基本雪压为0.30kN/m2，地面粗糙度为C类，建筑抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类，无沙土液化问题。

本工程结构形式为部分框支剪力墙结构，框支框架的抗震等级为一级，剪力墙的抗震等级为二级。由于四层顶设转换层，属于带高位转换层的复杂高层建筑结构，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）（以下得称“高规”）10.2.5条，框支柱、剪力墙底部加强部位的抗震等级再提高一级，分别为特一级、一级。

2构造选型与布置

由于建筑功能的需求，地上5～27层为住宅，房屋开间较小，层高为2.9m，地上1～4层作为办公、商业，需要较大空间，层高为3.9m。从结构受力角度看，由于高层建筑结构下部楼层受力很大，上部楼层受力较小，结构布置理应下部刚度大，墙体多，柱网密，到上部渐渐减少墙柱数量，以扩大柱网。但建筑功能对空间要求正好相反，因此，结构必须进行“反常规设计”，即上部为适应住宅小空间，布置剪力墙，下部为适应商业办公的大空间，必须使部分剪力墙不落地而以框架代之，形成上部布置刚度大的剪力墙，下部布置相当一部分刚度小的框支柱，因此就必须在四层顶设计转换构件，形成高位结构转换层。

目前在工程中应用转换层的主要结构形式有：梁（墙梁）式、空腹桁架式、斜杆桁架式、箱形和板式等。从结构传力方式看，梁式转换层具有传力直接、传力途径清楚的优点。同时转换梁构造简单、施工方便，经综合分析，较为经济合理。结合本工程实际情况，由于上部住宅剪力墙间距长短很不规则，但下部功能为办公及商铺，空间划分可以较为灵活，对空间的开敞和完整性要求并不十分严格。这样，落地剪力墙的位置和走向，框支柱的数量和间距，可尽量与上部剪力墙对齐，凡落在下部过道及影响功能空间正常使用的剪力墙通过框支柱转换大梁进行转换。在比较分析后，本工程采用梁式转换。本工程柱距3～6m左右，柱网较密，转换梁的截面高度不需要过大，对净高影响较小。由于转换层上下结构形式不同，刚度容易形成突变，对抗震不利。为了避免该情况的出现，一方面加大转换层以下结构刚度，保证落地剪力墙的数量，适当增加落地剪力墙的厚度；另一方面尽量减小上部墙体的刚度，如拉大上部墙体的间距，减小墙肢长度，开结构洞等措施。调整转换层上下刚度尽量接近，使其变化均匀，平稳过渡，使周期、位移等结构性能指标控制在允许范围内。框支柱为转换梁竖向支撑构件，其上部荷载大，是防止大震倒塌的重要构件。除按规范进行内力放大调整外，必须严格控制柱子的轴压比，加强纵向配筋和体积配筋率，使其具有足够的承载力和延性。

3整体分析

根据《高规》5.1.12条，在弹性分析阶段采用了SATWE、PMSAP两种程序对结构进行了整体计算及分析对比，见表1～表3。

表1：周期

表2：刚度

表3：最大层间位移角

从以上比较可以看出，两种计算软件分析结构是基本一致的。说明分析结果是可信的，可以作为施工图的依据。

4转换构件的设计及构造

4.1转换梁

本工程转换梁上部墙体分布形式大致可分为满跨（图1）和不满跨（图2）两种，除采取SATWE、PMSAP进行整体分析计算外，还采用FEQ对其进行局部有限元的计算。

以一根截面为700mm×1300mm、跨度为3700mm的上部墙体满跨的框支梁为例。SATWE的计算结果是上部纵筋面积为25cm2，下部纵筋面积为47cm2，箍筋面积为9.0cm2；FEQ的计算结果是梁为对称配筋，一边纵筋面积为42cm2，箍筋面积为16.0cm2。

结果表明：对于上部墙体满跨的框支转换梁，用有限元程序FEQ局部分析计算的转换梁内力与SATWE、PMSAP整体分析计算的结果是有差异的。墙与转换梁作为一个整体共同受力变形，类似于深梁或带拉杆拱的受力。转换梁位于整体弯曲的受拉翼缘，转换梁中就会出现轴向拉力。同时拱的传力作用，使得上部墙体的竖向荷载，传到转换梁上部一定高度时，开始以斜向荷载的形式向梁的端部集中，越接近转换梁，倾角越大，形成拉力区，使转换梁弯矩减少、轴向拉力增大。SATWE、PMSAP等进行整体结构内力分析时，剪力墙肢按墙单元考虑，转换梁柱按一般杆单元处理，墙肢与转换梁在单元节点处连接，粗略考虑转换梁与上部墙体的共同工作；而梁有限元分析程序（如FEQ）是在整体空间分析程序的计算基础上，将转换梁上部墙体3～4层以及以下部1～2层的范围取出，进行有限元分析。因为这两种方法，单元模型 划分方法不同，所以计算结果有一定差异。为了安全可靠，又采用手算进行校核。

初步确定转换梁尺寸时，转换梁支座截面处剪力设计值Vmax可按下式取用：当转换梁上部墙体满跨不开洞或开较少洞口时，可取V=（0.25～0.35）G；当转换梁上部墙体一侧满跨，另一侧不满跨时，可取V=（0.35～0.45）G；当转换梁上部墙体两侧不满跨或转换梁上部托柱时，可取V=（0.5～0.6）G；式中G为转换梁上所受到的全部重力荷载设计值。

将SATWE计算出的转换梁上一层墙体竖向荷载恒+活的标准值Nqk(kN)，折成均布荷载qk（kN/m）；地震作用下的各振型组合计算的标准值Nek（kN）和Mek（kN・m），把Nek折成均布荷载q′ek（kN/m），把Mek折成两个三角形竖向荷载q″ek。

按《高规》第10.2.6条规定折算成设计值。见图3。

图3：转换梁

对于上部墙体为满跨或开小洞口的转换梁应按深受弯构件计算。深梁截面高度可取转换梁顶以上转换梁净跨范围内的墙体与转换梁一起组成倒“T”形深梁高度。对于上部墙体不满跨或开洞较大、较多不规则的转换梁按普通梁的截面设计方法进行配筋计算。

本工程转换梁的主要截面取600mm×1200mm～800mm×1500mm，纵筋配筋率不小于0.5%，跨度小于6m的上部纵筋沿梁全长贯通，大于6m的上部纵筋沿梁全长贯通，下部纵筋全部直通柱内，沿梁腹部设置18@200的腰筋。转换梁的截面尺寸通常由其受剪承载力控制，故剪压比控制在0.15以内，箍筋全长加密。对于梁高受限的转换梁采取了竖向加腋的方法，不宜采用梁搭梁的间接传力形式，且上部墙体应尽可能落到转换梁上，避免大梁受到很大扭矩。

4.2框支柱

框支柱的截面主要取800mm×800mm～900mm×900mm。为了提高构件在地震作用下的延性和耗能力，以及考虑到“强剪弱弯”的原则，本工程框支柱的轴压比控制在0.5以内。大部分框支柱剪跨比控制到大于2.0，短柱控制到大于1.5。由于层高受限，个别短柱λ＜1.5，设芯柱予以加强。

4.3落地剪力墙

落地剪力墙厚度250mm～400mm，落地剪力墙百分比为41%，根据《高规》10.2.5条，剪力墙底部加强部位的抗震等级提高一级，为一级。《高规》10.2.15条，剪力墙底部加强部位墙体水平和竖向分布筋配筋率不小于0.3%；《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）6.2.11条，一级落地抗震墙底部加强部位拉筋直径不小于8mm，水平和竖向间距分别不大于该方向分布筋间距2倍和400mm的较小值；《高规》10.2.6条，特一、一、二级转换构件水平地震作用计算内力应分别乘以增大系数1.8、1.5、1.25。采取以上措施以确保剪力墙的塑性铰出现在转换层以上。

4.4框支梁上一层墙体

框支梁墙体加强区范围内配筋按照《高规》10.2.13条。当转换梁承托上部墙体满跨不开洞口时，转换梁与上部墙体共同作用工作，受力特征与破坏形态表现为深梁，上一层墙体应力较大，设计时应注意加强。

4.5转换层楼板

《高规》10.2.20条对转换层楼板的剪压比进行了控制，目的是满足楼板刚度要求及抗剪能力，使转换层上部的剪力能够有效的传递给落地剪力墙。

本工程转换层楼板厚度180mm，双层双向配筋，且每层每方向配筋率不小于0.25%。上下相邻各一层楼板也适当加厚，板厚130mm，板上部筋至少拉通一半。

5结语

地震作用和结构反应的不确定性，需要进行抗震设计。对底部大空间剪力墙结构体系，为达到底部大空间的建筑功能，结构进行了“反常规设计”，底部布置了刚度小的框架柱，上部布置刚度大的剪力墙(为提高其抗震性能，部分剪力墙落地)，中间设置转换层。目前对带转换层的大空间剪力墙结构的动力特性和抗震性能还不是很清楚，因此为使底部大空间剪力墙结构体系在地震作用下有良好的抗震性能，对其进行抗震概念设计是非常必要和重要的。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。