高层建筑局部剪力墙结构设计分析

【摘 要】本文根据设计实例，就高层建筑的结构设计方案进行研究分析总结，并提出采用局部框支建立结构体系的结构设计方案，从而提高设计方案的可行性以及高层建筑的安全性。

【关键词】高层建筑；结构设计；平面布置；剪力墙结构

1 工程概况

某高层建筑项目，地上32层，地下1层，框架-剪力墙结构，转换层位于4层，部分采用框支结构，建筑物总高度为98.5m，总建筑面积为58600m2。地下室为停车库，1～4层为商业及管理用房，5层以上为公寓，本工程建设场地属Ⅱ类场地，抗震设防烈度按7度设防，房屋安全等级为二级，设计使用年限为50年。

地下结构总长145m，属于超长结构，在地面上设两道温度伸缩缝，把结构分为三单元，每单元长度不超过60m，对超过50m长的结构单元，在中间设一道后浇带，温度伸缩缝同时兼作防震缝，使得每结构单元的体型简单，有利于抗震。地下室部分因建筑使用要求，不允许设缝，故在地下室设计时，同时考虑了垂直荷载、风荷载、土压力、水反力及温度应力的共同作用。该工程基础采用大直径人工挖孔扩底灌注桩，桩端持力层为强风化泥岩，桩径为φ900～1600mm，单桩竖向承载力特征值为4600kN～12100kN。

2 高层建筑设计分析

2.1 竖向承重及抗侧力构件设计分析

框支剪力墙体系在其转换层的上、下位置因竖向受力构件类型的转换造成建筑物竖向刚度的突变，地震作用时在转换层上下容易形成薄弱环节，对结构抗震不利，故在设计时采取以下几个措施原则进行优化，确保结构整体安全合理。

2.1.1 转换层的转换构件布置

为了达到这一目标，本工程在满足建筑使用功能的前提下，考虑如何布置1～4层的框支柱的柱网，以实现了最短传力途径，减少转换次数。在与建筑师充分沟通的基础上比较几个结构方案，最后确定在结构单元中间的框支剪力墙下设置了三根截面为1200×1200mm的框支柱，上部剪力墙直接通过转换粱支承在框架柱上；在结构单元端头位置，每片短剪力墙下均设置了一个600×1200mm的扁形框支柱，使得短剪力墙60％的截面直接落在扁形框支柱上，其余部分则通过转换梁直接支承在框架柱上。这样就实现了所有框支剪力墙通过转换粱直接支承在框架柱上，避免多次转换（由于建筑功能的要求，端头位置的框支梁与框支柱中心线不重合，在计算时考虑了附加偏心弯矩，并对相关的梁及框支柱做了加强处理）。

2.1.2 落地剪力墙及框支柱布置

为保证结构沿竖向刚度均匀变化，应设法争取尽可能多的上下贯通构件。在楼、电梯间位置，均布置成了落地的中央核心筒；强化了框支柱两侧的落地剪力墙，把框支柱两侧的部分落地剪力墙墙厚从250mm增厚至300mm，配筋也予以加强；并充分结合建筑造型要求，加大框支柱的截面。

2.1.3 门洞设置

框支剪力墙转换梁上一层墙体内尽量不设门洞，且不在中柱上方设门洞。框支剪力墙转换梁上一层墙体内的门洞及中柱上方的门洞使框支梁的剪力大幅增加，很容易破坏。根据结构单元中间的框支剪力墙承受垂直荷载较大的特点，把该片剪力墙沿横向整个连起来，中间不开洞，同时为了节约造价，在满足轴压比的情况下，尽量减短沿纵向翼墙的宽度。结构单元两端的框支剪力墙承受垂直荷载较小，若把它做成一片整墙，对框支梁的受力有利，但会增加造价，于是采取了把框支梁上一层沿横向连起来做成一片整墙，以上层还是沿横向分开，做成三片剪力墙，每片墙形心尽量与对应的框支柱形心重合，减少框支柱的偏心弯矩。

2.1.4 转换层上下侧向刚度比较分析

防止沿竖向刚度变化过于悬殊形成薄弱层，设计中应考虑使转换层下部结构的抗侧刚度接近转换层上部邻近结构的抗侧刚度，这样才能保证结构竖向刚度不发生明显的刚度突变，使下柱有良好的抗侧力性能，见表1。减少竖向刚度变化，有利于结构整体抗震性能。本工程的转换层在四层，属于高位转换，其等效侧向刚度比γe计算如下：

X方向：1=l/EX下2=l/EX上

Y方向：1=l/EY下2=l/EY上

X、Y方向的等效侧向刚度比均小于1.3，满足《高规》要求。

2.2 结构平面布置设计分析

由于建筑使用功能的要求，楼、电梯的核心筒设置在房屋的北侧，这样就会造成结构的质量中心与刚度中心不重合，若按常规布置剪力墙，必然造成结构的抗扭转刚度太弱。为了减小质量与刚度的偏心，加强结构的抗扭转刚度，在每个结构单元的南侧的角部，加密、加长了剪力墙，同时增加了楼板的厚度至120mm，楼板配筋双层双向，从而在角部就形成了剪力墙与楼板共同作用的小简体。通过三维整体藕联计算分析表明，这些角部加强的剪力墙对结构抗扭转的贡献是显著的。

在转换层，对转换构件至核心筒范围内的楼板予以特别加强，此部分楼板厚度设计成180mm，楼板配筋双层双向，根据受力计算和构造要求，楼板上部钢筋为Φ12@100双向拉通，下部钢筋为Φ12@150双向拉通，配筋率分别为0.69％及0.46％，满足《高规》要求。楼板中钢筋应锚固在边粱或剪力墙体内；转换梁至筒体外周围的楼板不开洞。

2.3 结构体系布置设计分析

1）公寓标准层采用现浇肋梁楼盖，剪力墙端连梁断面根据墙厚及跨度分别选用250mm×400～450mm、200mm×400mm～450mm等；次梁选用200mm×300～350mm等，现浇板厚度主要为100mm，局部跨度较大的板选用120mm～130mm。

2）底部大空间层亦采用现浇梁板体系，除转换层加强部位板厚180mm、地下室顶板厚180mm、裙楼顶板厚120mm外，其余各层楼板厚度均同标准层。为了保证转换构件具有足够的安全度，考虑了地震剪力及构件内力增大系数，框支梁断面加大，结构单元中间框支梁断面为500×1800mm，边框支梁断面为400×1500mm，考虑框支梁与其上层框支剪力墙共同工作，框支梁按深梁构造要求进行配筋设计。