探讨住宅框支剪力墙结构设计

摘要：相对于框架结构，剪力墙结构既可以保证结构安全可靠性，又可以使室内空间合理、墙面平整，所以高层建筑结构中越来越多地采用剪力墙结构，剪力墙的受力、变形特征，类似于框剪结构，但比框剪结构的刚度分配、内力分配更合理，结构的变形协调导致的竖向位移差别，也比框剪结构小，则传基础荷载更均匀、合理。

关键词：高层住宅框支；剪力墙结构设计；原则

引言

局部框支剪力墙结构虽然框支部分很少，但对框支部分还应该符合部分框支剪力墙结构的，同时又不完全符合。因此，为满足使用功能和结构抗震设计的要求，同时使剪力墙的布置和用量较为合理，结构设计工作人员任重而道远。

1.剪力墙的概念设计

概念设计是高层建筑结构很重要的一个环节，所谓的概念设计即尽量从宏观上要把结构的受力构件布置的均匀对称，使受力方向作用到构件有利的一面，避免出现荷载应力集中及刚度偏差太大而发生楼座整体扭转的情况。剪力墙结构常规是指墙肢截面的高度与墙体厚度的比值大于8的结构。在布置剪力墙的时候，尽量布置成“T”形，“L”形，“十”形，“I”形等连续拐弯的墙体，避免出现刚度偏心和扭曲，严格避免设置“一”字形剪力墙，因为“一”字形剪力墙的稳定性及抗震性都很差。

1.1洞口上下对齐，连梁不能过小；

1.2角窗附近不采用“一”字形及短肢剪力墙；

1.3角窗对应的房间楼板加厚，钢筋双层双向通长布置；

1.4角窗两侧的边缘构件沿楼座通高设置约束边缘构件等措施，总之，设置角窗需慎重对待。剪力墙结构中的连梁常规是作为高层结构中的耗能构件。剪力墙的破坏分为脆性破坏和延性破坏。脆性破坏是指剪力墙的墙肢抗剪能力不够而发生剪切破坏，剪力墙很快丧失承载力，甚至整个楼座突然垮塌。延性破坏一般分两种情况：一种是连梁不屈服，墙肢发生弯曲破坏，但吸收的地震能量较低，设计中应避免该情况出现；另一种情况是连梁屈服，梁端出现塑性铰，耗散大量的地震能量，同样通过塑性铰来传递弯矩和剪力，这是一种理想的受力机制。因此，在结构设计中，必须十分注意连梁的延性要求。

2.梁式转换层的结构设计分析

2.1抗震等级的确定

某工程转换层以下为框架―剪力墙结构，转换层以上为纯剪力墙结构，是多种结构形式共存的复杂高层建筑，因而不能像单纯的框架结构或者剪力墙结构那样笼统地确定抗震等级，而应该严格按照现行规范的不同章节，有针对性地分别确定结构体系各部位不同结构构件的抗震等级。该工程属“框支剪力墙”结构，地上高度79.4m，转换层设在三层楼面（属高位转换），7度抗震设防，其框支框架抗震等级为一级，加强部位剪力墙抗震等级为一级，非底部加强部位剪力墙抗震等级为二级。

2.2结构竖向布置

高层建筑的侧向刚度宜下大上小，且应避免刚度突变，然而带转换层的结构显然有悖于此，因此《高规》对转换层结构的侧向刚度作了专门规定。对该工程而言，属于高位转换，转换层上下等效侧向刚度比宜接近于1，不应大于1.3。在设计过程中，应把握的原则归纳起来就是要强化下部，弱化上部，尽量避免出现薄弱层。可采用的方法有以下几种：

2.2.1与建筑专业协商，使尽可能多的剪力墙落地，必要时甚至可以在底部增设部分剪力墙（不伸上去）。这是增大底部刚度最有效的方法。除核心筒部分剪力墙在底部必须设置外，还通过与建筑专业协商，让两侧各有一片剪力墙落地，并且北部还有一大片L型剪力墙也落地。这些措施大大增强了底部刚度。

2.2.2加大底部剪力墙厚度，减小上部剪力墙厚度，转换层以下剪力墙厚度取为300～500mm，上部厚度取为200mm。

2.2.3底部剪力墙尽量不开洞或开小洞，以免刚度削弱太多。

2.2.4提高底部柱、墙混凝土强度等级，采用C55混凝土。

2.3结构平面布局

工程转换层下部为框架-剪力墙结构，体形复杂，不规则；转换层上部为纯剪力墙结构，由于建筑布置的不对称，剪力墙的布置经过多次试算，最后结果是质量中心与刚度中心偏差不超过1m，结构偏心率较小。除核心筒外，其余部位剪力墙布置分散、均匀，且尽量沿周边布置，以增强整体抗扭效果。查阅计算结果，扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比为0.81，各楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与楼层平均值的比值不大于1.4，均满足平面布置及控制扭转的要求。可见工程平面布局规则合理，抗扭效果良好。

3.结构设计中的计算和分析

3.1转换体系的选取与计算

框支转换层楼板在地震中受力变形较大，其在整体电算中的模型选择很关键。由于工程转换梁上部层数多，地震时楼板将传递相当大的地震力，其在平面内的变形是不可忽略的。因此采用弹性板或弹性膜的计算模型较为适宜。由于弹性板的平面外刚度在整体计算中已被计入，相当于考虑了板对梁的卸荷作用，会使梁的设计偏于不安全。在进行整体结构分析时，将转换层楼板用弹性膜单元模拟。

3.2嵌固端与转换层楼板板厚的确定

工程以±0.000板作为嵌固端，既保证上部结构的地震剪力通过地下室顶板传递到全部地下室结构，同时能够保证上部结构在地震作用下的变形是以地下室为参照原点。规范中规定：当地下室顶板作为上部嵌固端部位时，地下室结构的侧向刚度与上部结构的侧向刚度之比不宜小于2。故地下室顶板厚度取200mm，同时，为了有效地将水平地震力传递给剪力墙，在应力集中的楼层，将楼板厚度加大，转换层楼板取180mm，与其相邻的层也适当加厚至150mm。考虑抗震需要，施工图阶段时更有意提高转换层配筋率，使单层配筋率达到0.35%，以进一步提高转换层楼板和框支大梁共同作用的能力。考虑到梁宽大于上部剪力墙的两倍，宽度较宽，对边转换梁，板面钢筋不是简单地要求伸入梁内满足锚固要求即可，而是要求必须贯穿梁顶截面，以确保梁内扭矩在板上的有效传递。

3.3框支柱与剪力墙底部加强部位墙厚的设计

框支柱作为框支剪力墙结构体系中重要的构件，它的安全度直接决定了整栋建筑的抗震潜力，因而框支柱的延性和承载力成为设计的关键。框支柱应在计算的基础上，通过概念设计和抗震措施（构造措施）进行设计。调整框支柱总剪力不小于0.3，框支柱的抗震等级定位一级，为了增加其延性，轴压比不超过0.4，其最小配箍特征值比一级增加0.02采用，框支层剪力墙轴压比控制在0.6以内，以保证剪力墙有足够的刚度。

抗震设计时，剪力墙的底部加强部位包括底部塑性铰范围及其上部的一定范围，其目的是在此范围内采取增加构造边缘构件箍筋和墙体横向钢筋等必要的抗震加强措施，避免脆性的剪切破坏，改善整个结构的抗震性能。针对本工程结构的特点，设计中有以下两点特别之处。

3.4转换层上、下结构侧向刚度比的确定

工程实践中，框支剪力墙结构体系是对结构本身来说是很不利的，为了加大底部大空间楼层的抗侧刚度，使上下刚度接近，《高层建筑混凝土结构技术规程》规定：需要抗震设防时，转换层上下刚度比不应大于2，同时不应小于1。为了满足此要求，对底部的落地芯筒及少量的落地剪力墙均予以加厚，落地芯筒周边墙体加厚至300mm（上部为250mm），少量的落地剪力墙加厚至400mm（上部为250mm），同时转换层以下的混凝土强度等级定位C45（上部为C35），最终大部分单元刚度比均控制在1.4左右，只有少数单元较大，但也控制在1.8以内。

由于高层结构中转换层的出现，沿建筑物高度方向刚度的均匀性会受到很大的破坏，力的传递途径会有很大的改变。如何计算转换层上、下结构侧向刚度比是带转换层高层建筑结构设计时必须解决的主要问题。

4.结束语

总之，由于剪力墙结构简洁、宽敞，使用功能好，为住户 的自行改造增大了灵活性，加大了使用面积，在高层住宅中的 运用将会越来越广泛。由于具有较好的抗震性能，且结构布置灵活、造价低、经济性好等优点，使我们在设计中 更加注重各方面的优化设计，方可使结构在整体上安全合理，保证高层建筑的安全性。

参考文献：

[1] 林红娟. 浅谈高层建筑结构的概念设计[J]. 中国高新技术企业，2008，19

[2] 冯芸. 谈小高层住宅的剪力墙设计与概念设计[J]. 陕西建筑，2009，08

[3] 班奇志. 浅谈高层建筑结构概念设计及高层建筑结构体系[J]. 沿海企业与科技，2009，02