上海市某超限高层商住楼框支剪力墙结构设计

[摘要]介绍了某高层商住楼框支剪力墙结构的设计,包括结构概念设计、结构三维整体分析、弹性动力时程分析、转换层有限元分析。指出这类结构体系的设计应从概念设计出发,制定合理的方案,通过正确的模型计算,找出结构薄弱部位,予以加强。

[关键词]高层建筑结构 框支剪力墙 转换层 概念设计 有限元分析 时程分析

中图分类号：TU208文献标识码： A

1 工程概况

本工程位于上海闵行区古龙新村北块，为一高层商住楼，其地下一层，地上二十六层。其中地下室层高3.6m，布置设备用房、地下水池及公共自行车泊位;底层为商业用房，层高6.0m；其上为复式住宅（复式上、下标准层结构平面见图1），层高均为3.0m；26层以上为机房和屋顶水箱。室外地坪以上主体高度为81.00m,建筑总高（至水箱顶）为89.00m。本工程结构形式为钢筋混凝土框支剪力墙结构，丙类建筑。地震设防烈度为7度近震，场地土类型为IV类场地土（按上海地区）。

(a)复式上层结构平面布置图

(b)复式下层结构平面布置图

图1复式住宅结构平面布置图

2超限分析及概念设计

按有关单位要求，该高层住宅底部为商业用房，上部为复式住宅。为充分争取有效建筑面积，经多方案论证，决定采用框支剪力墙结构体系，地面以上1层为框支部分，2～26层为剪力墙结构，转换层设在第一层。在结构方案设计阶段，考虑了以下几个问题。

2.1建筑结构的超限分析

（1）平面不规则

建筑物南侧两拐角处的凹槽深2.6m，房屋总宽为10.1m，最大凹进距离与房屋总宽之比为0.257< 0.3；复式上层的楼面在B轴和C轴之间楼板开有洞口，洞口最宽处为4.5m，该处有效楼板宽度仅为5.6m,有效楼板宽度与房屋总宽之比0.55>0.50；但复式上层南侧在11轴和17轴之间的楼板开有两个矩形洞口，该处有效楼板宽度仅有5.1m，有效楼板宽度与房屋总宽之比为0.44

(2) 竖向不规则

该工程在第一层采用了水平转换构件，且复式上层的楼板开有较多的洞口，对楼板的刚度削弱过大，因此应视为竖向抗侧力构件不连续.

综合以上，本工程最终为平面不规则和竖向抗侧力构件不连续两项指标超出规范限值，因此该工程可判定为不规则建筑。

2.2 竖向承重及抗侧力构件的概念设计

框支剪力墙体系是一种受力复杂、不利于抗震的结构，在结构总体设计时一般应遵循三条原则。

(1)空间层刚度的要求

与建筑专业相协调，尽可能多的剪力墙落地,必要时也可以在别的部位设置补偿的剪力墙；加大落地剪力墙的厚度，尽量增大落地剪力墙的截面面积；提高大空间层的混凝土强度等级；合理布置轴网，使不落地剪力墙直接通过转换层托梁传给竖向承重结构，尽量避免转换次梁及水平多级转换。

在定量控制指标上，令转换上下层的刚度比γ应尽量接近1，并不应大于2，以尽量减少转换层上下的刚度突变。

式中

i――转换层的下一层

i+1――转换层的上一层

Gi――转换层的下一层混凝土的剪切模量

Gi+1――转换层的上一层混凝土的剪切模量

Ai――转换层的下一层所在计算方向的剪力墙的全部有效截面面积

Ai+1――转换层的上一层所在计算方向的剪力墙的全部有效截面面积

Hi――转换层的下一层的层高

Hi+1――转换层的上一层的层高

(2) 落地剪力墙的洞口

落地剪力墙的数量本来就不多，所以尽量不要开洞，或开小洞，以免刚度削弱过大；如果开洞时，要尽量布置在剪力墙的中部。转换梁上部一层墙体的工作很重要，应力分布复杂。为了有效地通过墙体将荷载传到下部，避免应力集中，这一层不宜设边门洞。

(3) 框支梁柱的要求

为了保证结构具有足够的延性，框支柱的轴压比要严格控制。这使得框支柱比一般的框架柱有更大的延性和抗倒塌性能。一级抗震时，框支柱的轴压比控制在0.6以下。框支梁的受力很大且受力情况复杂。它不但是上下层荷载的传输枢纽，而且是保证框支剪力墙抗震性能的关键部位。故设计时应设有较多冗余储备。

该工程为了避免形成底部薄弱楼层，将落地剪力墙的墙厚加厚至500mm，并在4层及4层以下采用 C40混凝土，其余均为C30；所有门洞边设暗柱、暗梁加强；转换层以上外墙厚240mm，内墙厚200mm。本工程在x方向上结构不对称，刚度分布不均匀，质心和刚心并不重合，为了减少扭转效应，采取了以下措施：加大南侧楼板开洞及凹槽处的剪力墙墙厚及连梁高度，计算分析表明，这两条措施相当有效。

2.3 楼面水平结构的概念设计

(1) 控制落地剪力墙的间距和楼板厚度

计算程序计算时一般都假定楼盖在平面内刚度无限大，所以足够的楼板厚度是保证符合计算假定的前提。一定的楼板厚度可以保证上层剪力墙的水平力可以可靠地传至落地剪力墙上去。转换层要完成上下层力的重新分配，自身平面内受力很大，楼板会有显著变形。所以转换层楼板要保证一定的厚度，一般大于200mm，且必须现浇,双层双向配筋。为了提高结构的整体工作性能，协调各抗侧力构件，本工程除转换层板厚200mm外，其余各层楼板厚140mm；为加强转换层以下结构刚度，除加大落地剪力墙的厚度外，各层主梁断面和配筋也应适当加强。该工程框支柱的断面为1000mmx1000mm，为保证“强柱弱梁、强剪弱弯”的延性设计目标，主梁梁宽加大，框支梁断面均为800mmx2000mm。

(2) 加强凹槽处的连接以及楼板开洞的处理

在凹槽处增设截面200mmX300mm连梁，并在凹槽内侧设厚180mm楼板，且均双层双向通长配筋，以增强平面刚度；楼板开洞的地方，在洞边均设置了剪力墙，局部临空的剪力墙加厚为300mm，同时将洞口周围的楼板进行配筋加强，并设置洞口转角的斜向钢筋。

3 结构计算和数据分析

整体结构采用中国建筑科学研究院编制的SATWE和PMSAP两种程序进行计算对比。采用适合上海场地土的地震波波进行了时程分析；对转换梁还进行了局部有限元分析。

（1）整体结构计算数据分析

计算时考虑扭转耦联振动(十八个振型)，振型组合采用CQC法；梁、柱采用杆单元，剪力墙采用墙单元，墙元最大细分控制长度为2m。SATWE按刚性楼板考虑，但考虑洞口的影

响，即洞口处无刚性楼板；PMSAP按楼板全部为弹性楼板，采用多边形壳元，壳元最大细分控制长度为2m。经过多次调整剪力墙的墙肢长度、厚度以及连梁的高度等，才使结构布置合理，将其控制在理想的范围内。其地震作用下的主要结果见表1。

表1 应用SATWE、PMSAP程序计算的主体结构地震作用数据

Table 1 The seismic-effect data of the structure

calculated by SATWE and PMSAP

从表1看出：1）SATWE和PMSAP两种软件的计算结果比较接近，可以相互参考；2）两者计算的结构基本周期T1=(0.053～0.065)n,处于合理范围，说明结构总体刚度适中；3）两者计算的剪重比都在3％～4％之间，说明地震作用计算适当；4）两计算结果均未发现较大的扭转作用，说明结构平面布置合理，质心和刚心吻合较好；5）层间位移和顶点位移控制较好。

(2) 动力时程结果分析

考虑到结构竖向刚度有突变，主体结构高度超过80m。由于PMSAP的时程分析输出结果不太完善，因此本工程仅用SATWE进行时程分析。采用了三条地震波，第一条是上海市建筑抗震设计规程建议的SHW2，第二条是适合IV类场地土的天津宁和波NIN2-4， 第三条是适合IV 类场地土的Pasdena波，主要计算结果见图2，计算所得的底部剪力见表2。

图2时程分析主要计算结果

分析图2曲线，可见楼层最大位移曲线变化平稳、光滑、连续，曲线变化趋势符合框剪结构变化形态，顶点位移峰值比较合理，表明整体结构刚度适中，分布匀称，无明显的扭转偏移；层间最大位移角曲线无较大突出和收进，表明结构竖向刚度变化均匀，无明显薄弱层出现。从表2可以看出,每条时程曲线计算所得的结构底部剪力均大于CQC法求得的底部剪力，因此该工程由时程分析的结果控制强度和变形。楼层侧向刚度基本上呈现下大上小均匀变化的情况，虽然存在框支层，但并没有形成薄弱楼层。

表2时程分析结构基底剪力

Table 2 The shearing force of the foundation bottom by time-history analysis

(3) 转换梁有限元结果分析

转换层采用了与SATWE配套的FEQ软件进行了有限元分析，计算模型取地下室至转换层以上两层。分析结果表明：其一，转换梁偏心受拉特征明显，截面大部分应力为拉应力，转换梁跨中截面顶部区域虽然处于压应力状态，但其数值不大；其二，转换梁上墙体两根端部出现竖向压应力集中现象；其三，有限元分析的正截面配筋结果小于整体结构分析结果，这是由于前者考虑共同工作的结果，另外两者对计算跨度的取值方法不同也是原因之一。该工程为保证转换梁有一定安全储备，梁的最小配筋率控制在0.8%。同时对应力集中部位进行了加强处理。

4总体评价和对策

(1)设计经上海超限高层建筑审查评议专家进行审查，评审认为，该建筑为超限不规则的高层建筑，在设计过程中选用高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE和PMSAP分析计算，其计算是正确的，其结果符合抗震规范和高层设计规程要求；根据建筑的不规则性所采取的结构构造措施是必要的，也是有效的，在建筑平面凹槽处设置拉梁、拉板的措施还可经进一步优化后适当减少设置层数，为建筑设计提供良好条件。

(2)概念设计是复杂体系高层建筑结构设计的关键。在结构方案设计阶段，应对结构体系的特点有清醒的认识，有针对性地对结构薄弱层、薄弱部位及由于建筑设计方案可能带来的抗风抗震设计缺陷有宏观的把握。然后借助于工程设计软件进行正确建模，经方案对比试算，最后制定完善的结构方案。针对本工程来说，在结构建模计算过程中应选用高层建筑结构空间有限元分析与设计软件进行分析计算，合理选择抗震设计参数，建立符合实际受力状态的结构力学模型，同时应充分考虑由于平面凹糟和楼板开大洞对平面刚度的影响而产生的楼板弹性变形。

(3)框支剪力墙结构是抗震不利的结构体系。设计重点应放在转换层。在设计中应注意框支梁上方墙体的开洞位置。一般情况下,最好与支座相距较远一些，框支层上剪力墙上部的连梁，设计时应保证连梁弯曲破坏先于剪切破坏，即强剪弱弯，在连梁内充分配箍，可配置交叉箍筋，保证梁内塑性铰的出现。

[参考文献]

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