探究某高层建筑部分框支剪力墙结构设计

摘要：结构转换型式的选择和转换结构构件的布置等直接关系到整个结构设计的安全和合理。本文结合某部分框支剪力墙高层建筑的结构设计，对结构体系、结构布置、结构设计计算、抗震加强措施等进行分析和比较，以便对类似工程设计提供参考。

关键词：框支剪力墙结构；转换层；转换结构构件；高层建筑

1工程概况

该项目规划总用地面积214 581.2m2，包括住宅用地、商业用地和小学用地，规划总建筑面积约18.3×104m2。住宅用地规划为保障性住房和商品房，其中，规划总建筑面积保障性住房78300m2，商品房51004m2。保障性住房地下2 层均为大底盘车库（核6 级、常6 级人防），地上建筑分为4 个单体，地面以下单体范围内设有夹层，地上9～11 层，规划控制高度30m。地上单体采用钢筋混凝土剪力墙结构，地下夹层以下由于停车要求部分剪力墙不能落地而采用框支剪力墙，纯地库部分为框架结构。本文只讨论保障房部分中自住房的结构设计。本工程抗震设防烈度为8 度（0.20g），第一组，Ⅲ类场地土。结构计算嵌固端为基础，底部加强部位为地下及地面以上2 层。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3―2010）和《建筑抗震设计规范》（GB50011―2010），转换层以下主楼及其相邻两跨结构构件抗震等级为一级，底部加强部位的剪力墙抗震等级为一级，非底部加强部位的剪力墙为二级，其他纯地下室框架的抗震等级为四级。

2 结构选型及布置

本工程地下2 层均为停车库，停车位和车道均需要大空间，为此上部单体在车库以上需要对部分剪力墙进行结构转换。转换层若设置在夹层顶（即首层地面），部分转换梁和柱会突出室外地面，建筑难以处理和接受，最终确定将转换层设置在地下1 层顶板（即夹层地面）。结构整体计算的嵌固端取基础，这是因为嵌固端取夹层顶和地下1 层顶均无法满足嵌固端刚度比要求。常见的转换结构型式有梁式转换、箱式转换、厚板转换、桁架式转换等，各转换型式的优缺点比较如表1 所示。根据本工程特点，采用梁式转换，传力明确，施工便利，符合绿色建筑要求。

表1 各转换结构型式优缺点比较

结构布置时，平面力求简单、均衡，使得结构平面质心和刚心尽量重合，避免或减弱扭转的不利影响。落地剪力墙的数量、位置和框支柱的布置对防止转换层下部结构在地震中倒塌起着至关重要的作用。本工程为使建筑车位达到最合理，框支柱的位置进行了多次优化和调整。图2 中上部为靠地下室外墙，且有楼电梯间，落地墙数量多；下侧为汽车停车位和通道，上部剪力墙基本都不能落地，为此在临近上部单体的车库框架柱间且不影响停车位处增设了部分剪力墙，以满足结构整体刚度和减弱扭转效应。

3 工程地质情况及基础选型

根据该项目地勘报告，场地地形起伏较大，但场区内无不良地质作用，场地稳定，地基为均匀地基。基础持力层为④层粉质黏土―重粉质黏土层或⑤层粉质黏土-重粉质黏土层，地基承载力标准值取f ka=130kPa。

经初算及分析，主楼单体下采用CFG 桩进行地基处理，处理后的桩土复合地基可以满足建筑物承载力及沉降变形要求；纯地库区域采用天然地基。根据上部结构荷载情况及地基情况，主楼和纯地库均采用筏板基础，框架柱下增设柱墩以解决柱对筏板的冲切。

4 结构分析计算

本工程采用SATWE 软件进行结构三维整体计算，采用SATWE 软件中的框支剪力墙有限元FEQ 模块对框支框架进行补充应力分析。框支剪力墙结构计算时应注意：（1）转换层上部的竖向构件应直接落在转换层主结构上。当结构竖向布置复杂，框支主梁承托剪力墙并承托转换次梁及其上剪力墙时，应进行应力分析，按应力校核配筋，并加强构造措施。框支剪力墙结构计算应采用墙（壳）元模型，如SATWE、PMSAP 等。（2）“壳元”最大边长这个参数应尽量小，这是为了使转换梁与上部剪力墙协调点多一些，变形协调更合理。（3）转换梁应考虑轴向变形的影响，所以要考虑弹性楼板，转换梁才能计算出轴力。SATWE 整体计算主要结果如表2 所示，主要计算控制参数有位移比、层间位移比、周期比、层间刚度比、层间受剪承载力比、刚重比、剪重比等。

表2 SATWE 整体计算结果

1） 位移比是控制结构整体抗扭特性和平面不规则的重要指标，包含两项内容：楼层竖向构件的最大水平位移与平均水平位移的比值和楼层竖向构件的最大层间位移与平均层间位移的比值。计算位移比仅考虑墙顶、柱顶等竖向构件上节点的最大位移，不考虑其他节点的位移。规范规定位移比按刚性楼板假定计算，高层建筑还应考虑偶然偏心的影响。本工程位移比满足规范要求。

2）层间位移角（即层间最大位移与层高之比）是控制结构整体刚度和不规则性的主要指标，也应在刚性楼板假定的情况下计算。计算结果满足规范要求。

3）周期比（即结构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）是控制结构扭转效应的重要指标，是结构扭转刚度、扭转惯量分布大小的综合反应。在结构符合刚性楼板假定时，周期比计算应在刚性楼板假定下进行。周期比不满足规范要求，说明结构扭转效应明显，对抗震不利，应进行调整。周期比调整原则：结构抗侧力构件的布局均匀对称；增加结构周边的刚度；降低结构中部的刚度。本工程通过上述调整后，周期比为0.4383/0.7169=0.6114，满足规范要求。

4 ）层间刚度比是控制结构竖向不规则性和判断薄弱层的重要指标。本工程各层刚度比均满足要求，转换层与其相邻上层结构的等效剪切刚度比X 向为0.892 5，Y 向为0.902 4，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3―2010）附录E 的要求。转换层不论刚度比是多少均应指定为薄弱层。需要注意的是，SATWE 计算刚度比有剪切刚度、剪弯刚度和地震剪力与地震层间位移之比3 种方法，计算结果差异较大，应正确选用。笔者认为，对规范规定指定计算方法的应按规范要求，其他的计算方法应比较后采用。

5）层间受剪承载力比也是控制结构竖向不规则和判断薄弱层的重要指标。受剪承载力的计算与混凝土强度、实配钢筋面积等因素有关，在SATWE 计算时尚不知实配钢筋面积，因此程序以计算配筋面积代替适配钢筋面积作计算不够真实。笔者认为，对实际配筋与计算配筋差别较大的应校核，其他情况可使用SATWE 计算结果。本工程本层与上一层受剪承载力比X 向为0.98，Y 向为1.00，均满足规范要求。

5 结语

1）结构设计尤其应重视概念设计，以便确定合理的结构布置方案；

2）结构整体计算结果应分析、比较，调整各项主要指标符合规范要求；

3）对结构的主要构件、薄弱部位等应采取必要的加强措施。如框支剪力墙结构中的框支框架、落地剪力墙和转换层楼板等。

参考文献

【1】JGJ3―2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].

【2】GB50011―2010 建筑抗震设计规范[S].