高位转换剪力墙结构设计实例探讨

摘 要：本文结合某框支剪力墙结构设计实例，针对高位转换剪力墙结构设计中相关要点进行了详细的分析，主要从结构布置、竖向不规则及结构设计等几个方面进行了论述，提出了设计中应注意的问题，旨在为建筑结构设计人员参考借鉴。

关键词：高位转换 剪力墙结构 转换层 楼板设计

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

1 工程概况

某高层住宅楼，采用框支剪力墙结构，地下1层，地上28层，基础采用桩筏结构，转换层位于层4，转换层顶面标高为28.4m，转换层层高2.3m；转换层以上为住宅，层高3m；转换层以下为办公专用，结构高度为86m，结构设计使用年限为50年，抗震设防烈度为6度。

2 结构布置

2.1 转换层层高确定

本工程转换层层高的确定主要提出2种方案：

方案1：设备转换层兼作结构转换层,层高为2.3m，顶面标高为28.4m；

方案2：设备转换层独立设置，层高为2.3m，而结构转换层位于下一层，结构转换层层高3m，转换层顶面标高为28.4m。

方案2与方案1相比，转换层是刚度软弱层，如果要做到转换层与其上一层侧向刚度比为60% 以上，需要将落地剪力墙加厚2.4倍，即使做到60%，转换层仍然是刚度软弱层，因此排除方案2。而方案1可以避免转换层为刚度软弱层，经计算落地墙加厚1.4倍即可满足转换层与其上一层刚度比为1的要求，节约了结构造价。

2.2 剪力墙布置

利用平面中的楼梯间、电梯井及设备管井做成落地剪力墙，并在框支层组合成筒体布置形式。同时利用建筑四个角部房间，做成落地剪力墙筒。

在满足轴压比及其他计算指标的的条件下，尽量缩短不落地墙墙肢的长度， 以弱化转换层以上结构刚度、剪力墙主要截面及采用材料见表1。

表1

2.3 框支框架

框支柱采用型钢混凝土构件，框支梁主梁采用宽梁，梁宽同框支柱宽，L形T形剪力墙尽量落在框支主梁上，尽量避免次梁转换。框支梁截面一般为受剪控制，为满足建筑设备转换的空间要求，选择了型钢混凝土构件。

3 竖向不规则分析

3.1楼层侧向刚度比

现行规范、规程中存在多种侧向刚度比算法，建筑抗震设计规范(GB50011-2010 )采用层剪力与层位移比值，广东省高规补充规定，采用层间位移角比值，从因层高变化引起的刚度比差异来看，采用抗震规范算法得到的结果更为不利，突出了层高变化可能引起结构薄弱层。

为满足转换层上部与下部结构等效侧向刚度比要求，落地墙加厚100mm，经SATWE计算， 刚度比满足高规附录E要求，见表 2。图1为 X 向侧向刚度分布图。结合表2 和图1可看出：

（1）转换层层高为2.3m时，仅转换层侧向刚度较大，其他层层刚度相对一致。

（2）转换层上一层(层高及结构构件与标准层均相同)层刚度相对略大，主要因为：1) 采用层剪力与层位移比值算法，相同层剪力条件下，与层位移相关；2)转换层处框支框架的剪切变形制约了落地剪力墙的弯曲变形，减小了转换层上一层层间位移角(弯曲变形引起)。

（3）依据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第3.4.1条文说明，当本层侧向刚度小于相邻上层的50%时，为特别不规则结构，仅这一项就需进行超限审查。

表2刚度比计算

图1 转换层层高2.3m时X 向侧向刚度分布

3.3 楼层受剪承载力

图2为 X 向楼层抗剪承载力分布，可以看出，转换层下部楼层抗剪承载力明显高于转换层以上楼层。其主要原因：1) 落地墙加厚至300mm，转换层以上基本为200mm；2)框支柱采用型钢混凝土；3)提高底部加强部分剪力墙抗震等级。

图2 转换层层高2.3m时X 向抗剪承载力分布

综合图1和图2可知： 转换层既不是刚度软弱层，也不是承载力薄弱层；

3.4 框支柱、剪力墙传力途径分析

框支柱、剪力墙剪力分布见图3，由图可见，在转换层处，框支柱、剪力墙存在剪力突变，主要因为：高位转换时，落地墙已经呈现出明显的弯曲变形，框支框架为剪切变形，框支框架制约剪力墙的弯曲变形，从而引起了转换层处框支柱、剪力墙剪力分配突变，当转换层层高较低时，加剧了这一现象。

图3 框支柱、剪力墙剪力分布

4 结构设计

4.1 抗震措施分析

（1）框支框架。为了提高框支框架的抗震性能，框支框架采用型钢混凝土构件。框支柱、框支梁按照中震弹性设计，并对框支柱、框支梁进行大震作用下抗剪截面验算。将其抗震等级调整为一级。

（2）落地剪力墙。控制落地剪力墙承担的地震倾覆力矩大于总地震倾覆力矩的50% 底部加强部位剪力墙抗震等级为一级。

（3）转换层处楼板。转换层及其下一层楼板板厚200mm，转换层上一层板厚150mm。控制板最小配筋率不小于0.25%，且不小于计算要求。

4.2转换层楼板设计

4.2.1 楼板应力分析

表3为各级地震及风荷载作用下转换层及上下层楼板最大主应力1 (采用PMSAP软件计算)，由表可见，转换层及其下一层楼板应力较大，与图3分析结果吻合。

表3 楼板应力/MPa

4.2.3 楼板配筋计算

现行规范没有具体的楼板抗震配筋计算方法为了实现楼板的抗震性能目标， 给出了适用于工程应用的配筋计算方法 计算配筋不应小于最小配筋率要求。

（1）中震弹性计算

依据抗震规范可得：

R≥γRE［1.2(SGK+0.5SQK)+1.3SEhk］（1）

式中γRE取0.85。

将式（1）中1.2 (SGK+0.5SQK)近似等效为恒荷载+活荷载基本组合1.2(SGK+0.5SQK)+1.4SEhk /1.3 或1.2( 1.35SGK+1.4×0.7SGK)/1.3，则可以将式(1)写成下式：

As≥(0.85×1.2/1.3)As1+1.1As2（2）

式中：As1为竖向荷载作用下的配筋面积； As2为地震作用下的配筋面积，依据《混凝土结构设计规范》GB50010-2002第 5.2.8 条及条文说明，受拉钢筋的配筋量可根据主拉应力的合力进行计算，因此，可由地震作用下楼板应力分析结果计算得到配筋面积As2：

As2= KT/ƒy=1.3h/ƒy（3）

式中： K 为承载力安全系数；T为钢筋承担的拉力设计值； h为板厚；为截面主拉应力在配筋方向投影面积的总面积扣除其中拉应力值小于0.45ƒ的面积后的图形面积。

式（2） 可以将竖向荷载作用下的配筋直接与水平地震作用下的配筋叠加， 给实际工程应用带来了方便和可操作性，可以满足工程计算精度。

（2）大震不屈服计算

依据抗震规范可得：

Rk≥SGK+SQK+SEhk （4）

转换层楼板配筋一般均为双层双向，且上部与下部配筋相同，依据《混凝土结构设计规范》GB50010-2002，则有：

As1=(M/ƒy)(h0－as')（5）

由ƒyk=1.1ƒy，M=1.3Mk可得：

As1=1.3×1.1(Mk/ƒyk)(h0－as')=1.3×1.1Ask1 （6）

由式(4) 及式( ) 可得：

Ask=Ask1+Ask2=As1/(1.3×1.1)+Ask2（7）

式中： Ask1为采用竖向荷载作用标准值及材料标准值计算得到的的配筋面积； Ask2为采用地震作用标准值及材料标准值计算得到的配筋面积，《水工混凝土结构设计规范》SL191-2008，可由地震作用下楼板应力分析结果计算得到配筋面积Ask2：

Ask2=h/ƒyk （8）

如该工程转换层楼板大震不屈服验算中，竖向荷载作用下配筋面积Ask1为 159mm2，另根据式（8）得到Ask2为 443mm2(单层单向计算)，根据式（7）得Ask为544mm2，实际配筋￠12@ 150 双层双向布置(大于最小配筋率 0.25% )。

4.4 型钢混凝土框支柱柱脚设计

因结构嵌固端以下只有一层地下室，型钢混凝土柱均采用埋入式柱脚，适用于钢骨柱长不大于1000mm，需要注意的有：1) 筏板上部纵筋遇型钢时截断，弯锚15d，四周采用洞口加强；2)筏板下部纵筋截断处理同上部纵筋，另柱脚柱冒纵筋同筏板底部纵筋，并锚入筏板下部纵筋传力连续；3)根据钢骨柱柱脚底板承受荷载进行抗冲切验算，配置抗冲切弯起钢筋。

5 结论

综上所述，通过对本工程高位转换剪力墙结构设计分析，得到了以下几点结论：

（1）最大楼层地震剪力曲线表明，转换层及以下楼层地震剪力一般较大，转换层层高较大时，层地震剪力在转换层处急剧增大。

（2）高位转换时，框支柱 剪力墙承担的剪力在转换层位置急剧变化，剪力传递不直接， 增加转换层及其下一层楼板的负担，应对楼板进行分析并加强，文中给出了转换层楼板配筋计算方法。

（3）设备转换层宜兼作结构转换层，一般设备转换层层高不高，可以避免在转换层出现刚度柔软层。

参考文献

[1]GB50011-2010 建筑抗震设计规范［S］．

[2]SL191-2008水工混凝土结构设计规范［S］