框支剪力墙结构设计及构造措施的研究

【摘要】随着建筑行业的发展，高层建筑已越来越普遍，在工程中大多采用剪力墙结构体系以满足高层建筑结构侧向刚度的需要；而为了满足建筑师底部大空间的设计需求，上部部分剪力墙会出现无法直接落地的情况，故须通过转换层的设置以实现上述设计目的；从而出现了框支剪力墙结构设计问题。框支剪力墙结构设计是上述建筑结构设计的关键环节，其设计的好坏在很大程度上决定着该类型建筑结构的设计质量。因此，我们需要对框支剪力墙结构设计问题进行深入的探讨和分析。本文结合笔者多年工作经验以及工程案例，着重对框支剪力墙结构设计过程中的软件应用、规范条文、构造措施等情况进行简要介绍，以供参考。

【关键词】 框支剪力墙；结构设计；转换层；弹性动力时程分析；楼板应力分析；性能目标；抗震构造措施

1、工程概况

某工程为31层高层建筑，首层商铺，层高为6 m，2层以上为住宅，层高为3 m；建筑总高度96m，地下室4层为车库。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；场地土类别为II类。

2、结构设计

2.1 底层框支框架及落地剪力墙的布置

底层框支框架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。因此在布置底层框支框架及剪力墙时，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；转换上下层间结构侧向刚度应合理过渡，避免底部软弱层的出现。剪力墙布置力求对称、均匀、成组布置，结构体系传力途径力求简捷明确。综合上述各方面的因素，本工程底层框支框架尽量与上部剪力墙对齐，使剪力墙能落在框支梁上，以保证竖向荷载及倾覆力矩能直接通过框支框架传给基础。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，以最大程度地满足结构设计需要。

2. 2 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，用来控制结构位移，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。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。

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为主软件计算分析，以上海佳构软件有限公司STRAT软件作对比分析。两者总体计算结果比较接近，且以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结果如下： 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） 。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，A级高度高层建筑不应大于0.90。本工程扭转周期比Tt/T1= 0.773，满足规范要求。

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接近，且转换层上下层的层间位移角亦比较接近，故在转换层处满足了侧向刚度渐变的要求的。

3.3 弹性动力时程分析

根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）第5.1.2条要求，本工程采用SATWE 程序进行弹性动力时程分析，对结构进行了补充计算。输入两条天然波和一条人工波，进行复核计算，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，计算结果均满足规范要求；且输入上述三条地震波和振型分解反应谱法进行包络分析，大部分楼层墙、梁配筋基本一致，说明整个结构的计算合理可信。

3.4 楼板应力分析

因转换上下层结构布置上的差异，特别是竖向构件布置差异，整体结构侧向刚度于转换上下层处会存在一定变化，从而导致地震力于转换上下层间发生应力重分布的情况出现。故本工程以转换层及转换上层楼板在大震下保持弹性为性能目标，作补充分析。

采用中国建筑科学研究院PKPM系列PMSAP软件进行上述分析，以上海佳构软件有限公司STRAT软件作对比分析。计算结果表明转换上下层楼板在大震下依然能保持弹性，

4、抗震构造措施

4.1 抗震等级的确定

在确定抗震等级时，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）中表3.9.3要求，结合本工程为7度抗震设防，故非底部加强部位的剪力墙抗震等级按二级，底部加强部位的剪力墙及框支框架抗震等级按一级。

4.2 转换梁构造措施

1、转换梁上、下部纵向钢筋的最小配筋率，非抗震设计时均不应小于0.30%；抗震设计时，特一、一、和二级分别不应小于0.60%、0.50%和0.40%。

2 、离柱边1.5倍梁截面高度范围内的梁箍筋应加密，加密区箍筋直径不应小于10mm、间距不应大于100mm。加密区箍筋的最小面积配筋率，非抗震设计时不应小于0.9ft/fyv；抗震设计时，特一、一和二级分别不应小于1.3ft/fyv、1.2ft/fyv和1.1ft/fyv。 3、 偏心受拉的转换梁的支座上部纵向钢筋至少应有50%沿梁全长贯通，下部纵向钢筋应全部直通到柱内；沿梁腹板高度应配置间距不大于200mm、直径不小于16mm的腰筋。

4.3 框支柱构造措施

1、柱内全部纵向钢筋配筋率应符合本规程第6.4.3条中框支柱的规定；

2 、抗震设计时，转换柱箍筋应采用复合螺旋箍或井字复合箍，并应沿柱全高加密，箍筋直径不应小于10mm，箍筋间距不应大于100mm和6倍纵向钢筋直径的较小值；3 、抗震设计时，转换柱的箍筋配箍特征值应比普通框架柱要求的数值增加0.02采用，且箍筋体积配箍率不应小于1.5%。

结束语：

1） 框支框架及落地剪力墙的布置是框支剪力墙结构设计的关键，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）对于复杂转换结构，应采用多软件对比分析，特别是地震作用下的各项指标对比分析，以确保结构计算的安全度及可信度。

3） 对于复杂转换结构，应严格执行相关规范条文的要求，特别是抗震等级、框支柱、框支梁、框支层楼板等构造措施的把握；对薄弱部位应采取相应的加强措施。

参考文献：

（1） 《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010） 中国建筑工业出版社 2010

（2） 《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）中国建筑工业出版社 2010

（3） 徐培福 《复杂高层建筑结构设计》 中国建筑工业出版社 2005