高层建筑工程的框支剪力墙结构设计探究

王想花

(江西省建工设计院，江西 南昌 330000)

如今，高层建筑鳞次栉比，矗立在城市的正中央，尽管转换层的应用使得高层建筑特殊的建筑要求得到满足，但是带转换层的高层建筑，纵向结构构件十分薄弱，而且扭转效应较大。特别是在地震情况下结构反应十分复杂，所以高层建筑工程的框支剪力墙结构必须经过严格的设计、分析、仿真以及模型计算找出结构薄弱部位进行改进加强，从而确保高层建筑的使用及抗震性能。

1 高层建筑的简介

高层建筑可以说是衡量一个国家或者地区科技发达和经济繁荣的标志之一。2002年我国将高层建筑的最少层数统一为10层，世界上最高的高层已经达到110层，这是高层建筑不断发展以及人类智慧的最好体现。高层建筑将以往较单一的住宅和办公楼结合起来进行综合建筑发展，使得功能适应性、技术合性和经济可能性得到质的变化。但对高层建筑的结构设计以及性能要求也逐渐提高，结构所需的材料也开始转向轻质、新型、高强的复合方向发展。

2 转换层在高层建筑工程中的应用

由于多功能以及综合用途的要求，从建筑的使用功能而言，通常将小开间设计在中上层，而大开间设置在高层建筑的下层部分。但从结构的合理布置来看，两者恰好相反，为了满足建筑功能的要求，就必须采用与常规相反的布置形式。在下层布置强度较弱的框架柱，上层布置刚度较大的剪力墙，而上下层这种结构的转变必须要设置转换构件衔接两种不同机构，并传递之间的内力，这一层就是转换层。本文将重点介绍由于上下层具有不用的结构从而通过转换层进行转换的剪力墙结构和框架－剪力墙结构。在此类型中，转换层将上部剪力墙转换为下部建筑的框架，为建筑的底部创造出一个较大的内部自由空间。

转换层在高层建筑中的位置决定了高层建筑的抗震能力，其位置宜低不宜高。研究表明，转换层位置较高时，更容易使框支剪力墙结构在转换层附近的框支剪力墙结构上下内力传递路线发生突变，并且伴随着较大的刚度变化。另外，转换层位置越高，筒体或落地剪力墙越容易受弯出现裂缝，从而使框支柱的内力增大，破坏转换层上部墙体，这与抗震设计理念之间存在冲突。在现行的国家标准《高层建筑混凝土结构技术规程》中规定:9度区不应采用;7度，8度地区可以采用，但限制大空间部分框支剪力墙结构转换层不宜超过3层，7度区不宜超过第5层;6度区其层数可适当增加，但不可过高。在必须采用高位转换的情况下，应严格控制转换层以下框支结构的等效刚度，即必须考虑剪切、弯曲和轴向变形的综合刚度。

3 框支剪力墙结构的设计探究

框支剪力墙的结构要追溯到五、六十年代由苏联和东欧的一些学者提出的下层为框架、上层为剪力墙的结构体系。结构中的部分剪力墙因建筑要求不能落地，直接落在下层框架梁上，再由框架梁将载荷传至框架柱上，这样的梁就叫框支梁，柱则叫框支柱，上面的墙就叫作框支剪力墙。由于其具有良好的建筑使用功能，如今已被广泛地应用到带有转换层的高层建筑结构中，并通过不断地工程实践和研究分析，已经形成了成套设计和施工工艺。下面从以下几个方面对框里剪力墙的结构设计进行探究:

3.1 结构设计的要求

不同的工程概况和地基基础需要设计不同的框支剪力墙结构，不但要满足不同的建筑功能要求，还必须满足国家规范对这些结构的相关规定。一般的带有转换层的高层建筑，为满足不同的使用功能，转换层以上使用剪力墙结构，下层选择局部剪力墙结构。

(1)竖向结构的布置。由于竖向受力构件之间的转换容易造成高层建筑竖向刚度的突变，若受到地震作用，此处则成为抗震的薄弱环节，所以《高层建筑混凝土结构技术规程》中对框支剪力墙转换层的上下结构的等效刚度比有着严格的限制。在竖向结构布置中，应保证底部大空间具备合适的刚度、延性以及强度，一般从以下几点进行加强和改进。转换层的转换构件在传力过程中应该简单直接，应该尽量避免转换次梁以及水平方向的多级转换;处在框支剪力墙转换梁的上一层墙体以及中间支柱承受的垂直载荷较大，最好不要设计门洞;尽量强化转换层下部剪力墙以及框柱的刚度。

(2)平面结构的布置。平面结构应具有良好的整体性，遵循简单、规则并做到均匀对称。对于一些超长、超宽或者其他不规则平面结构一般要设置温度伸缩缝，不但可以具有整体性，还能兼作抗震缝。经过多年的研究分析，一些平面不规则、质量中心与结构的刚度中心偏差过大的高层建筑中，在地震中承受巨大的扭转作用力而受到严重破坏，所以设计过程中尽量使这两个中心重合。

(3)转换层构件布置。转换层既是上层结构的基础，又是下后结构的封顶，起到承上启下的作用。转换层的存在使得上下传力构件无法直接、连续的进行传递，所以在转换层上部的竖向抗侧力构件应直接落在转换层的主结构上，从而使水平转换结构传力直接，避免出现多级复杂转换。梁式转换结构在这方面就表现出良好的性能，并且具有成熟的模型仿真，但是由于框支主梁受到的作用力十分复杂，因此在设计时必须进行应力分析实验，并按应力校核结果配备加强筋构造。

3.2 结构设计的要点以及计算分析

框支剪力墙结构是一种十分复杂的空间受力体系，极易形成各种薄弱部位，所以应使用合适的三维模型分析软件进行整体构造的详细分析。建立完成三维模型后，需要使用有限元分析软件对其进行有限元法的分析计算。分析结束后还要加以进行弹性时程分析法进行整体结构的补充计算。由于高层建筑的特殊特征，对于风载荷、雪载荷以及竖向载荷都要进行精确的计算分析，当然对于抗震能力的设计分析是结构设计的重中之重，它直接影响着整个建筑的使用寿命以及使用安全性。

4 抗震性能的探究

由于框支剪力墙结构在受力方面的复杂性，使得抗震能力不甚理想，特别是在转换层下部以及相邻的楼层更容易受到破坏，所以对抗震性能的研究也面临着前所未有的挑战。将结构设计完毕后，根据不同的建筑施工工况进行多次抗震作用效应分析，对出现的抗震设计缺陷进行改进和完善，确保框支剪力墙结构在高层建筑中抗震系数满足各项要求。

5 总结

尽管在高层建筑中框支剪力墙已经得到广泛的应用，并且也取得了前所未有的高度和成就，但是该结构复杂的受力特性使得在抗震性能上还有很大的改进空间。在进行转换层的设计构造时，严格遵循本文提到的结构设计要求，特别是抗震概念要求，在转换层附近适当提高其构造等级要求，增强整体抗震能力，使得框支剪力墙结构更好地应用到高层建筑中。

［1］金地.名郡A、B塔楼超限高层建筑工程结构超限论证报告［R］.中建国际(深圳)设计顾问有限公司，2010.

［2］白洁.浅谈高层建筑结构的转换层［J］.山西建筑，2007，33(15):70－71.