转换构件上部一层剪力墙超筋现象分析

张海永，钟玉斌

(中机中联工程有限公司，重庆400039)

转换构件上部一层剪力墙超筋现象分析

张海永，钟玉斌

(中机中联工程有限公司，重庆400039)

通过对部分框支剪力墙结构进行计算分析，总结了转换构件上一层剪力墙超筋的现象，并分析了发生此现象的原因。该文研究归纳了结构计算时避免转换构件上一层剪力墙超筋的方法，进而总结了此类结构设计时应采取的加强措施。

剪力墙超筋；转换构件；Satwe；计算模型；配筋率；超筋现象

1 概述

在进行带托墙转换层的剪力墙结构（部分框支剪力墙结构）计算时，很容易出现转换构件之上一至二层剪力墙（特别是较短墙肢）和连梁超筋的现象。

剪力墙超筋分三种情况：（1）剪力墙暗柱超筋：Satwe软件给出的暗柱最大配筋率是按照5%控制的，而各规范均要求剪力墙主筋的配筋面积以边缘构件方式给出，没有最大配筋率。所以程序给出的剪力墙超筋是警告信息，设计人员可以酌情考虑。（2）剪力墙水平筋超筋（即剪压比超限）则说明该墙肢截面抗剪不够，应予以调整[1]。（3）剪力墙连梁超筋大多数情况下是在水平地震力作用下抗剪不够。规范中规定允许对剪力墙连梁刚度进行折减，折减后的剪力墙连梁在地震作用下基本上都会出现塑性变形，即连梁开裂[2]。

2 转换构件上部一层剪力墙超筋的原因分析

软件根据内力来计算配筋一般都不会有问题，问题主要出现在如何求出这个内力。即这个内力是由什么引起的，是竖向力还是水平力。

造成转换构件上一层剪力墙超筋的一个原因，是带转换层的高层建筑在转换构件上下剪力分配存在很大的突变，而且转换层位置越高，突变越明显。这是水平力，但这个因素只能使转换构件上一层剪力墙配筋略有增大。

造成这个现象的主要原因，是计算软件的变形协调原理[3]。在竖向力作用下，框支梁沿跨度方向的竖向变形不同，越靠近跨中竖向变形越大（变形大小只是相对的），使墙肢有倾斜的趋势；同时转换构件以上楼层的梁板对剪力墙产生水平方向的约束作用，阻止上部墙肢倾斜。因此，在框支梁和剪力墙的接触面产生了剪力，这种剪力属于内力，是由竖向力引起，并非外水平力分配后造成的（特别是6度区的水平力相对较小）。这种剪力的大小主要由计算软件中框支梁与墙变形协调能力决定，单元类型越精确，单元划分越精细，剪力越小。

进行有限元计算时，单元类型从粗糙到精确依次为：杆单元（梁单元）、平面壳单元、空间实体单元。杆单元最为简单也最为粗糙，它仅在有限的几个点与剪力墙协调受力；平面壳单元忽略了平面外的影响；空间应力分析采用了空间实体单元，可以取得接近实际值的结果。

一些文献[4]对转换构件上一层剪力墙（或柱）进行了分析，结果表明：（1）梁托柱时框支梁用梁单元和应力分析结果相差不大；（2）梁托墙时框支梁用梁单元计算的弯矩、剪力比应力分析结果大5～20倍，可见梁托墙需进行应力分析并校核配筋；（3）梁托满跨墙时“拱”效应明显，框支梁甚至不出现压应力，中和轴移至剪力墙中；（4）梁托部分长墙（墙体部分落在柱上）时的框支梁的中和轴上移，墙梁相接处应力集中；（5）框支梁之上一至二层的剪力墙应力分布较为复杂，拉、压应力区域分布和大小都很难总结出统一的规律。

至于空间应力分析工具的选择，依个人的喜好和熟练程度而定，etabs、sap2000、midas均可以，但是这样做需要付出相当多的工作量和软硬件成本。

我们经常使用的软件Satwe，它用杆单元模拟梁、柱，用平面壳元模拟剪力墙，肯定有较大失真。梁与墙通过若干节点连接，模拟梁墙的协调受力。在进行剪力墙网格划分时自动将与其连接的框支梁分成几段，在每一小段梁的端点处与墙连接，来实现墙对梁的传力。因此，Satwe计算时，“墙元细分最大控制长度”越小，框支梁上一层剪力墙内力越小。

3 转换构件上部一层剪力墙超筋的处理方法

在进行部分框支剪力墙结构计算时，可以采取以下方法来缓解甚至解决转换构件上一层剪力墙超筋现象。

方法一：适当加大框支梁刚度，比如层高允许的话可以适当减小梁宽、增加梁高，这样可以在相同混凝土用量下获得较大的抗弯刚度，梁纵筋也有所减小。

方法二：在转换层上下结构布置时，尽量避免相邻较近的两片墙一片落在硬支座（框支柱）上而另一片落的软支座（框支梁）上，不能避免时应尽量加大两者的距离。

方法三：剪力墙最好位于框支梁跨中部位，或位于柱上时墙中心应尽量对齐柱中心，尽量避免同一片墙一端落在硬支座（框支柱）上而另一端落的软支座（框支梁）上，不能避免时应尽量减小落在软支座上的长度。

方法四：落地剪力墙的对称布置有助于结构受力均匀，从而减小转换层附近的受力复杂程度[5]。

以上四个方法对整个结构都是很有利的措施，但只能一定程度上缓解转换层上一层剪力墙超筋现象。

方法五：Satwe“总信息”中“墙元细分最大控制长度”改小（默认为1m），能够部分缓解超筋情况。但是计算较大的结构时，对硬件要求较高。

算例：某32层转换层结构，第4层为转换层，6度0.5g，考察图1中所示梁托部分长剪力墙JLQ1，墙截面为200×1700。该框支梁KZL1跨度10.3m，截面尺寸1200×2000，转换层上部楼层层高均为3m。使用Satwe计算，当墙元细分长度取值不同时，所得结果见表1。结果表明，框支梁及其上一层的剪力墙内力的控制工况为竖向荷载。

图1 框支梁上剪力墙示意图

表1 恒载作用下上层墙的最大内力

由表1可知，墙元细分长度越小，框支梁上一层剪力墙的轴力、剪力及弯矩都会减小。

方法六：计算模型中把框支梁的梁高加大到足够大（比如梁高取4m），作为专门对转换构件上一层剪力墙的计算。采用方法五的例子中模型进行计算，结果列于表2中。

由表2可知，把框支梁的梁高加大到足够大时，框支梁上一层剪力墙的轴力、剪力及弯矩都会大幅减小，可以比较好地解决转换构件上一层剪力墙超筋的现象。

4 结论及设计建议

表2 恒载作用下上层墙的最大内力

以上分析表明，在进行部分框支剪力墙结构的设计时，对结构薄弱部位应该采取相关的加强措施。

在竖向及水平荷载作用下，框支梁上部的墙体在多个部位会出现较大的应力集中，这些部位的剪力墙容易发生破坏，因此《高层建筑混凝土结构技术规程》(下称《高规》）10.2.2条规定转换层以上两层为剪力墙底部加强区。另外，《高规》10.2.19条及10.2.22条对这些部位的剪力墙规定了多项加强措施。

使用Satwe计算是不能判定应力集中部位的，因此框支梁之上两层剪力墙配筋应适当加强。《高规》10.2.19条规定，部分框支剪力墙结构中，底部加强区剪力墙的水平、竖向分布钢筋最小配筋率，抗震设计时不应小于0.3%，那就把最小值取到0.35%或者0.4%；当抗震等级为特一级时，规范规定最小配筋率为0.4%，建议取值要略大于0.4%。

图2 框支梁上部墙体加强配筋示意图

为满足《高规》10.2.22-3条的要求，根据《2009全国民用建筑工程设计技术措施-结构（混凝土结构）》中相关规定[6]，如图2所示，框支柱上剪力墙的约束边缘构件的配筋率应适当提高；柱边0.2宽度范围内的墙体竖向分布钢筋及框支梁上方高度范围内的墙体水平分布钢筋，均应比区段外相应钢筋间距加密一倍。

[1]中国建筑科学研究院.JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社，2010.

[2]丁永君，付春兵.关于剪力墙连梁中若干问题的探讨[J].建筑结构.2013(S1):633-636.

[3]崔大光.型钢混凝土梁柱框支剪力墙抗震性能研究[D].上海:同济大学，2006.

[4]刘建伟.框支剪力墙结构合理破坏机制及控制措施研究[D].重庆:重庆大学，2011.

[5]方鄂华.高层建筑钢筋混凝土结构概念设计[M].北京:机械工业出版社，2004.

[6]中国建筑标准设计研究院.全国民用建筑工程设计技术措施(2009)-结构（混凝土结构）[S].北京:中国计划出版社，2012.

责任编辑：孙苏

On Excessive Reinforced Shear-walls of Structural Transfer Members

Based on calculation and analysis on partial frame-supported shear-wall structures,the phenomenon of excessive reinforced shear-walls of structural transfer members is summarized and the causes of this phenomenon are analyzed.Also,methods to avoid this phenomenon are presented with some corresponding improvement measures summarized for reference.

excessive reinforced shear-wall;structural transfer member;Satwe;calculation modeling;reinforcement ratio;excessive steel bar phenomenon

TU973文献标记码：A

1671-9107（2014）11-0065-02

10.3969／j.issn.1671-9107.2014.11.065

2014-10-16

张海永(1986-)，男，河北黄骅人，研究生，助理工程师，主要从事建筑结构设计工作。