高层建筑中框支剪力墙结构的设计与分析

颜朝晖

(山西省建筑设计研究院，山西 太原 030013)

0 引言

近年来，框支剪力墙结构已逐渐成为竖向不规则高层建筑中经常采用的一种满足建筑功能及美学要求的结构布置方式。由于框支剪力墙结构中竖向构件传力的不连续性，造成结构上部荷载不能直接传递给下部对应的竖向构件，只能通过转换构件的内力重分配，再向下传递，转换构件相当重要且受力非常复杂;因此结构设计过程中，除对整体结构进行计算分析外，还应对转换构件进行详细分析，以保证框支剪力墙结构能正常地、可靠地、有效地工作。

本文结合一实际工程，探讨高层建筑中框支剪力墙结构设计过程中的注意事项。

1 工程概况

某高层商住楼，位于山西省晋城市区，是集底部商业、塔楼住宅于一体的综合性高层建筑。该工程地下2层，层高4.8 m。地上1层 ～3层为大开间商业用房，层高4.5 m(转换层层高6.2 m)，4层以上为剪力墙结构住宅，层高为3.2 m，为实现这种底部大开间与上部剪力墙之间的转换，在主楼3层顶设置结构转换层，以传递竖向荷载和水平荷载。室外地坪以上主体结构檐口高度为67.75 m。本项目采用了传力直接明确，传力途径清楚的梁式转换方式，由于该建筑功能的特殊要求，导致了上部框支剪力墙轴线与底部框支框架错开较多，故采用了转换次梁与转换主梁的转换形式。

转换层结构平面图如图1所示(为表达清楚，图中忽略转换构件以外的平面图，图中灰色部分为底部框支结构，黑色部分为上部框支剪力墙)。

2 整体结构计算分析

为分析整体结构的特性，采用SATWE，PMSAP对该结构进行整体对比计算。抗震等级:框支框架、底部加强区均为一级;风荷载按五十年一遇取0.50 kN/m2;计算中考虑扭转耦联影响，共计算27个振型，计算结果见表1。

表1 振型信息

由表1可得:结构第一第二振型均为平动振型，第三振型为扭转振型，且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均小于0.85，满足规范要求。

由表2可得:周期比、刚度比、层间位移角及位移比均满足规范要求。

表2 整体结构分析控制参数

3 关键构件补充分析

由于框支剪力墙结构中，上部结构荷载只能通过转换构件的内力重分配之后才能向下传递，转换构件受力复杂;故结构设计过程中，除对整体结构进行计算分析外，还应对转换构件进行详细分析。

针对本项目的实际情况，对结构中关键构件(框支框架及落地剪力墙)提出适当的性能设计目标，并采用PKPM计算程序进行结构在中震弹性及大震不屈服的计算。

中震弹性计算结果表明，结构中需考察的框支框架(框支梁以及框支柱)和底部加强区剪力墙承载力均满足中震弹性的设计要求。

大震不屈服计算结果表明，结构中需考察的框支柱和底部加强区剪力墙满足大震下抗剪截面控制条件。框支梁承载力满足大震不屈服设计要求。

此外，为保证框支梁的承载力，还补充了框支梁在重力荷载下不考虑上部墙体共同工作的模型，将该计算模型与整体模型小震反应谱计算模型的计算结果对框支梁进行包络设计。

4 弹性时程分析

为校核振型分解反应谱法的计算结果，根据规范要求，本工程采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算，弹性时程分析所取地面运动最大加速度为18 cm/s2，结构阻尼比为0.05。地震波选用建设方提供的及程序自带的8组小震加速度记录作为弹性时程分析的地震波输入，包括5条天然波和3条人工波，每组包含2个方向的分量，在波形的选择上，除符合有效峰值、持续时间、频谱特性等方面的要求外，还应满足规范对底部剪力方面的相关要求。计算中考虑了2个方向地震动时程输入的影响。时程分析得到的x方向结果如图2所示。

计算结果分析:

1)振型曲线符合规律;

2)最大层间位移角小于1/1000，满足规范要求;

3)从图2a)可以看出，曲线在转换层处由剪切型过渡到弯曲型，符合变形规律;

4)时程分析得到的楼层剪力及层间位移角的变化趋势与CQC反应谱法分析得到的结果基本一致;基底剪力平均值与CQC反应谱的比值(X向0.96，Y向0.97)及最小值与 CQC反应谱的比值(X向0.72，Y向0.70)均满足规范要求，满足小震弹性时程分析地震波选取的要求;动力时程反映分析复核结果表明，不需要调整整个楼层构件的内力及配筋。

5 楼板应力分析

本工程为部分框支剪力墙结构，为保证转换层处不落地剪力墙的水平剪力能够通过楼板有效传递给竖向构件，补充框支层楼板有限元应力分析。

在小震、中震作用下，框支层楼板的最大主拉应力分别为0.385 MPa和1.058 MPa，尚未超过楼板混凝土的抗拉强度标准值(C30混凝土，ftk=2.01 MPa)，可以满足小震、中震不开裂的设计要求。

在大震作用下，框支层塔楼相关范围内楼板的最大主拉应力为2.471 MPa，大于楼板混凝土的抗拉强度标准值(C30混凝土，ftk=2.01 MPa)，此时楼板已经开裂，在忽略了混凝土的抗拉强度后，折算得到的单跨范围内楼板钢筋拉应力小于400 MPa(HRB400型钢筋的屈服强度标准值)，可以满足大震楼板钢筋不屈服的设计要求。

计算表明:在转换层处楼板可以满足小震、中震作用下楼板主拉应力不超过楼板混凝土抗拉强度标准值，大震作用下楼板钢筋不屈服的设计要求，不落地剪力墙的水平剪力传递途径可以得到有效保证。

6 抗震构造措施

经过上述多个计算模型的大量计算，力求把结构分析清楚，对关键构件进行多个模型的包络设计，除计算结果满足规范要求以外，为保证结构安全，还采取了以下措施:

1)由于底部商场使用功能限制，落地剪力墙数量明显偏少，经多次与建筑、业主协商，在①③○13○15轴Y向增加了落地剪力墙，这样虽然损失了部分的建筑功能，但是把扭转效应降低到规范规定范围内，扭转周期也由第一周期降低到了第三周期，抗震性能大为提高。

2)转换层楼板要完成上、下层剪力的重新分配，在自身平面内受力很大，本次楼板厚度按200 mm设计，框支梁向外一跨范围内楼板加厚至180 mm，双层双向拉通配筋，每层每向最小配筋率0.25%，以利于水平力的传递。

3)严格控制剪力墙、框支柱、裙房框架柱的轴压比，以提高整体结构的抗震性能。

4)采用转换层后，底部大空间的柱子要承受上部结构的巨大荷载。因柱距受建筑功能制约，柱截面又要满足轴压比和上下层剪切刚度比的要求，所以框支柱极容易形成对抗震不利的短柱。同样框支梁因承担上部巨大的荷载，其抗剪承载力往往难以满足要求。因此本工程中，框支梁主体框架均采用型钢混凝土梁以提高抗震性能，其他转换次梁采用钢筋混凝土梁。柱子全部采用型钢混凝土柱，以实现与型钢混凝土梁的连接，提高整体结构的抗震性能。

5)部分地方由于建筑功能需要，框支剪力墙与框支梁轴线错开，为减少框支梁的巨大扭矩，在剪力墙墙肢处(该处为扭矩集中作用点)设置与框支梁垂直的抗偏梁，从而抑制框支梁关键部位的出平面变形尤其是角变位。

7 结语

梁式转换结构能满足建筑物上、下不同使用功能的要求，但该类结构由于上下刚度突变，竖向构件不连续，属于抗震不利的结构。该类型的结构设计对工程要求甚高。因此，在进行转换层结构分析时，务必明确设计原则及计算原则，要做到概念明确，思路清晰。

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