框支剪力墙结构抗震设计的若干问题研究

【摘要】本文主要针对框支剪力墙结构抗震设计中结构布置以及抗震设计要求进行了分析研究。

【关键词】框支剪力墙结构;抗震设计;要求

引言

框支剪力墙结构属于转换层结构的一种，由于在建筑上的使用率越来越高，但是结构上其上下构件不连续，出现薄弱层，有刚度突变和传力突变，它的抗震性能的研究一直都是我们的对于高层解雇抗震性能研究方面的一个重点、难点。主震作用后高层建筑物处于带损伤状态，其刚度、强度、延性、模态和损伤程度都与初始状态有着显著的不同，尤其是遭受罕遇地震后各个构件进入塑性阶段后设计方法有较大的不同。强余震对框支剪力墙结构的作用十分显著，乃至可能就是致使其倾倒的主导元素，所以在建筑结构抗震设计中，强余震的影响不容忽视，考虑强余震对建筑物损伤的影响都是十分必要的。

一、结构布置

1、平面布置

平面布置应遵循简单、规则、均匀对称的原则，并且应该具有良好的整体性，尽量使质量中心与结构刚度中心重合，以减少或避免扭转产生的影响。考虑到偶然偏心影响的地震作用，楼层的层间位移和竖向构件的最大水平位移不应大于该楼层的1.2倍，不应该大于楼层平均值的1.4倍。

2、竖向布置

竖向布置主要的作用是控制转换层上、下刚度的突变，为了保证底部空间的刚度、强度以及延性，应该尽量强化转换层上下部的结构刚度，弱化转换层上部结构刚度，使转换层上下部的变形特征和结构侧向刚度尽量接近。

3、转换构件选择及布置

转换层是建筑物中不同结构形式连接的关键点，它既是上部结构的空中基础，又是下部结构的封顶。一般情况下，转换层上部的竖向抗侧力构件宜直接落在转换层的主结构。转换构件上部载荷不直接传给下部对应构件，而是通过转换结构的内力重新分配，是因为结构竖向传力构件的不连续。因此，在布置转换层时，应注意尽可能水平转换机构直接落在转换层的主结构上。平面布置时剪力墙界面中心线应与框支梁截面中心线对齐，以防止框支梁上部剪力墙对框支梁产生不利的扭转影响。

二、框支剪力墙结构抗震设计要求

在高层建筑底部，当上部楼层部分竖向构件不能直接落地时层。对于部分框支剪力墙这种受力复杂、不利抗震的结构，规范做了专门规定。

1、底部加强部位范围和抗震等级

1.1范围

由于转换层位置的增高，结构传力路径复杂、内力变化大，规定剪力墙底部加强范围也增大，可取转换层加其以上两层的高度或房屋高度的1/10中二者的较大值。

1.2 抗震等级

部分框支剪力墙结构其抗震等级应符合高规3.9节的相关规定，当转换层的位置设置在3层及3层以上时，转换层附件的内力跟刚度突变越大，越易形成薄弱层，越不利于抗震，因此高规规定其框支柱、剪力墙底部加强部位的抗震等级宜按高规表3.9.3和表3.9.4的规定提高一级采用，己为特一级时不再提高。

2、转换层设置高度

转换层位置越高，转换层下部的落地剪力墙及框支结构越易开裂和屈服，转换层上部几层墙体越易于破坏，这种高位转换对抗震不利。因此高规规定7，8度可以采用，但限制部分框支剪力墙结构转换层设置位置：7度区不宜超过5层，8度区不宜超过3层。如超过上述规定，则要专门研究，采用有效针对措施，确保框支层不被破坏。

3、转换构件的传力途径

当上部平面布置复杂而采用框支主梁承托剪力墙并承托转换次梁及其上剪力墙，试验表明这种多次转换传力途径长，框支主梁将承受较大的剪力、扭矩和弯矩，一般不宜采用。如果采用，应进行应力分析，按应力校核配筋，并加强配筋构造措施。因此高规规定转换层上部的竖向抗侧力构件宜直接落在转换层的主要构件上，避免多次转换。

4、部分框支剪力墙结构的布置

通过分析众多研究机构对部分框支剪力墙结构的模型拟动力试验的研究结果，高规规定落地剪力墙底部应该加厚，框支柱周围楼板不应错层，框支梁上一层墙体不宜设置门洞。为了满足底部楼板刚度要求和上部剪力能有效传给落地剪力墙，高规还对转换层层数不同的结构相应做了不同的规定：抗震设计时，底部框支层为1-2层时，落地剪力墙间距入不宜大于2B和24m，框支柱与相邻落地剪力墙的距离L不宜大于12m;当框支层层数为3层及3层以上时，入不宜大于1.5B和20m，人不宜大于10m。此处B表示落地剪力墙之间楼盖的平均宽度。

5、底部加强部位的内力调整

一系列的震害和研究表明，设计中应特别加强底部加强部位，尽量避免地震中过早破坏或者倒塌，因此对底部加强部位的内力调整增大是非常重要的。

6、转换构件的设计

6.1 转换梁

结构试验和研究表明，转换梁受力复杂，重要性巨大，一般为偏心受拉构件截面受拉区域较大，承受很大的剪力，其构造措施比一般梁要求更高。

（1）截面控制

为了保证转换构件有足够刚度来传递荷载，转换梁截面高度不宜小于计算跨度的1/8;转换梁截面宽度不宜大于框支柱相应方向的截面宽度，且不宜小于其上墙体截面厚度的2倍和400mm的较大值。

（2）剪压比控制

为了避免转换梁在地震作用下过早受剪破坏，规范严格控制其剪压比：

持久短暂设计状况

地震设计状况

当转换梁为型钢混凝土组合构件时，规范的剪压比适当放宽：

持久短暂设计状况

地震设计状况

6.2 转换柱

同转换梁一样，转换柱是部分框支剪力墙结构中最重要也是最薄弱的构件，除按规范要求进行内力放大和采取更严格的构造措施外，还应满足如下要求。

（1）截面控制

为了满足柱轴压比要求，柱截面宽度抗震设计不应小于450mm;柱截面高度抗

震设计时不宜小于转换梁跨度的1/120

（2）剪压比控制

为了避免转换柱在地震作用下过早破坏，规范严格控制其剪压比：

持久短暂设计状况

地震设计状况

当转换柱为型钢混凝土组合构件时，规范的剪压比适当放宽：

持久短暂设计状况

地震设计状况

三、转换层位置对结构抗震性能的影响

1、结构周期随转换层位置的变化规律

随着转换层设置层数的提高，结构的自振周期越来越小，这与我们一般认为的转换层结构周期随转换层位置提高越变越大的规律相矛盾。但这并不是计算模型错误，而是由此框支剪力墙结构自身特殊性造成的：结构在下部框支层数增加、上部标准剪力墙层数减少后，框支框架在整体结构体系中的比重越来越大。但此工程中框支柱的截面尺寸较大，根数较多;底部加强区落地剪力墙数量占总墙肢数量的比重较大，且墙肢厚度比上部标准剪力墙肢厚;框支剪力墙占总墙肢数量的比重较小，且框支剪力墙多以短肢剪力墙主。基于上述三点原因使得框支框架的抗侧刚度和结构重量大于上部标准层剪力墙。因此结构的整体刚度随着转换层设置高度的提升而逐渐增加，而结构周期也越来越小。随着结构周期的减少，结构的水平地震影响系数增大，加之质量也随之增加，结构的基底地震剪力将会逐渐加大，对结构抗震更不利。

2、转换层位置对结构位移影响

随着转换层设置位置的提高，楼层的水平位移逐渐增大，但楼层水平位移的增幅随着楼层数的增加逐渐减少。这是由于上节分析的结果是结构周期逐渐减小，结构重量变大，导致结构总地震作用力明显增大。随着转换层位置的提高，底部框架空间效应更加明显，框架的剪切型变形曲线更加明显，因此底部位移的增幅更大。

结束语

综上所述，框支剪力墙结构设计是转换层结构设计中的一种，对于建筑结构的抗震性能有着重要的影响，上文针对框支剪力墙结构抗震设计的具体要求以及影响进行了分析研究，对于后期框支剪力墙结构的发展有着重要意义。

参考文献：

[1]曹正国. 框支剪力墙结构抗震性能研究[D].同济大学，2006.

[2]周自强. 高低位转换框支剪力墙结构抗震性能对比分析[D].重庆大学，2010.

[3]王红兵. 框支剪力墙结构的分析与设计方法研究[D].合肥工业大学，2008.