高层建筑部分框支剪力墙结构的设计与探讨

黄剑鸿，朱德胜

(福建省建筑设计研究院 福建福州 350001)

1 工程概况

某工程C2#楼，主体结构高度99.57m，地下室2层，地上1～2层为底层商铺，3～32层为住宅，其中3层为结构转换层。抗震设防烈度为6度第一组，基本地震加速度为0.05g，场地类别Ⅱ类，根据高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3－2010(以下简称高规)3.9.9条及10.6.5条相关条文规定，底部加强部位(本工程为地下1～4层)剪力墙及柱抗震等级为二级，1～5层框架梁及连梁抗震等级为二级，其余部分框架及剪力墙抗震等级均为三级。本工程采用梁式转换，转换层平面布置如图1所示:

2 结构设计和分析

本工程采用SATWE进行计算，针对结构转换构件采用PKPM软件中框支剪力墙有限元分析程序FEQ进行补充计算。具体以图1中KZZ1、KZZ2、KZL1举例说明。

2.1 转换梁、转换柱的截面取值

(1)根据高规10.2.8条，转换梁截面高度不宜小于计算跨度的1/8，框支梁截面宽度不宜大于框支柱相应方向的截面宽度，且不宜小于其上墙体截面厚度的2倍和400mm的较大值。同时考虑框支剪力墙插筋施工方便，以及二级框支剪力墙结构框架柱轴压比限制不应小于0.7，故取KZL1截面尺寸为950mmX1200mm。此时梁下净高为3.3m，满足建筑使用要求。

(2)根据高规10.2.10条，柱截面宽度抗震设计时不应小于450mm，柱截面高度，抗震设计时不宜小于转换梁跨度的1/12。同时考虑到转换梁与转换柱交接处施工方便，本工程中转换柱每侧尺寸取值均比转换梁宽50mm，故取KZZ1、KZZ2截面尺寸为1000mmX1000mm。

2.2 转换梁的设计

(1)考虑到结构安全性，提高梁抗剪承载力，也为了施工方便，本工程中转换梁的混凝土强度均同此层剪力墙的混凝土强度，为C45。

(2)转换梁上、下部纵向钢筋的最小配筋率二级时不应小于0.40%。梁加密区箍筋直径不应小于10mm，间距不应大于100mm，加密区箍筋的最小面积配筋率二级时不应小于 。偏心受拉的转换梁除按计算确定外，支座上部纵向钢筋至少应有50%沿梁全场贯通，沿梁腹板高度应配置间距不大于200mm、直径不小于16mm的腰筋[2]。故转换梁的计算结果及实配钢筋如(图2、3)所示:

(3)转换梁的有限元分析复核。SATWE计算转换梁的受力模型为框支剪力墙的荷载简单的传递给转换梁，再由转换梁传递给转换柱，但实际上转换梁与框支剪力墙的受力形态远比SATWE的计算模型复杂，这是由于:1)框支剪力墙和转换梁作为一个整体共同弯曲变形，相当于一个倒T形深梁，转换梁处于深梁的受拉翼缘，应力积分后梁中会出现轴向受拉力。2)框支剪力墙内应力向转换柱传递的应力传力流与“拱”类似，由于竖向传力“拱”的存在，使得上部一定范围内墙体上的竖向荷载很大一部分以斜向荷载的形式传递到转换梁上，若将斜向荷载分解为垂直和水平等效荷载形式，则在水平荷载作用下，就形成了转换梁内一定区域受到轴向拉力的情况。

图1 C2#楼转换层结构平面布置图(其中阴影部位为转换梁)

图2 KZL1计算配筋面积

图3 KZL1配筋图

图4 恒载作用下的σx等应力线图(密度越大，应力越大)

对于这种墙梁单元整体作用的形式，则有必要用二维壳单元模型进行分析。本工程采用FEQ软件进行应力分析并与SATWE计算结果进行对比。

梁式转换层有限元分析模型选取原则:1)转换梁上部墙体层数的选择与转换梁跨度有关，当转换梁跨度较大时，上部层数可选多些。本工程上部层数选4层。2)下部支承结构的层数一般取到嵌固端。

KZL1应力分析结果摘录如(图4、图5)所示:

上图中，由于墙梁作为一个整体参加计算，墙梁交接处截面变化导致应力集中，故压应力与剪应力最大值均出现在此部位，最大拉应力出现在转换梁梁底处。

经由各工况产生的拉应力进行组合，经计算所得Mmax=4686kN/m(1.2恒载+0.98活载+1.4X向地震)。与SATWE的计算结果进行比较(图6、图7)，用FEQ计算所得的跨中最大弯矩比SATWE计算所得的弯矩大4%，证明一维杆单元模型与二维壳单元模型计算结果存在偏差，有必要对转换构件进行有限元精细化分析。经过校核，原设计配筋满足FEQ计算配筋结果。

图5 恒载作用下的τxy等应力线图(密度越大，应力越大)

图6 两种程序计算跨中最大弯矩图比较

图7 两种程序计算梁底筋最大值图比较

2.3 转换柱的设计

在柱网布置过程中，需配合建筑平面布置，控制落地剪力墙与相邻框支柱的距离，尽可能增加落地剪力墙数量，以满足底部空间楼层板的平面内刚度要求，使转换层上部剪力能有效的传给落地剪力墙，而框支柱承受较小的剪力。为满足水平力能够连续传递，转换构件周围的楼板不应错层布置。

根据SATWE程序计算结果，本工程底层地震作用下X方向最大剪力为1251.7kN，Y方向最大剪力为1364.7kN。根据计算，二层转换柱承受剪力之和X方向为2134.1kN，Y方向为3141.6kN，不小于结构基底剪力(标准值)的20%[2]，满足规范要求。

地下室顶板作为嵌固端时地下1层每侧纵向钢筋面积不小于地上1层的1.1倍[2]，同时为了避免转换柱在1层柱底与地下1层柱顶承载力突变，造成对结构的不利影响，故转换柱纵筋延伸至地下1层，地下2层角筋不变，其余纵筋直径根据计算配筋适当减小。

根据高规10.2.10条，本工程转换柱箍筋采用井字复合箍，并沿柱全高加密。

2.4 框支剪力墙、落地剪力墙的设计

落地剪力墙的布置:当底部框支层为1～2层时，落地剪力墙的间距不宜大于落地墙之间楼盖的平均宽度的2倍和24m。同时，框支柱与相邻落地剪力墙的距离，1～2层框支层时不宜大于12m[3]。本工程经测算均满足要求。

为避免承载力突变，转换柱在上部墙体范围内的纵向钢筋应伸入上部墙体内不少于一层，其余柱纵筋应锚入转换层梁内或板内。转换柱与框支剪力墙交接处具体做法如图8所示:

图8 转换柱与框支剪力墙交接处做法

框支剪力墙的墙身配筋除按SATWE计算确定外，需另按高规10.2.22条的要求进行复核配筋:

1)柱上墙体的端部竖向钢筋面积:

2)柱边宽度范围内竖向分布钢筋面积Asw:

3)框支梁上部0.2ln高度范围内墙体水平分布筋面积 :

式中:

ln——框支梁净跨度(mm);

hc——框支柱截面高度(mm);

bw——墙肢截面厚度(mm);

σ01——柱上墙体hc范围内考虑风荷载、地震作用组合的平均压应力设计值(N/mm2);

σ02——柱边墙体0.2ln范围内考虑风荷载、地震作用组合的平均压应力设计值(N/mm2);

σxmax——框支梁与墙体交接面上考虑风荷载、地震作用组合的水平拉应力设计值(N/mm2);

有地震作用组合时，上述公式中 σ01、σ02、σxmax均应乘以γRE，γRE取 0.85.

结合本工程KZZ1、KZL1上部剪力墙，经计算可得σ01、σ02均小于 fc，σxmax=3.1N/mm2，代入公式高规 10.2.22 －3，可得Ash=1894.44mm2。原墙身水平分布筋配置满足该计算要求。

综合上述计算及SATWE计算结果，KZZ1与KZL1上方框支剪力墙配筋如(图9)所示:

图9 转换柱KZZ1上层框支剪力墙配筋图

2.5 转换构件的延性极为重要

本工程为了提高转换梁、转换柱的延性，加强转换层结构的整体性和刚度，采取了提高配箍率及纵向钢筋配筋率，控制转换柱轴压比等措施，同时在设计过程中，实际配筋适当放大。

根据高规附录E.0.1条规定，当转换层设置在1、2层时，可近似采用转换层与其相邻上层结构的等效剪切刚度比γe1表示转换层上、下层结构刚度的变换，抗震设计时γe1不应小于0.5。根据SATWE计算所得结果X向等效剪切刚度比为1.3720，Y向等效剪切刚度比为1.4471，满足规范要求。

转换层上部结构，外荷载产生的水平力是根据各片剪力墙的等效刚度按比例分配，而转换层下部结构，由于框支转换柱与落地剪力墙的刚度差异，故外荷载产生的水平力分配时产生刚度突变，转换层楼板起到上下剪力重新分配的作用。故本工程在设计过程中，转换梁周边的板厚取180mm，其余楼板取120mm，此层楼板双层双向配筋，且每层每方向的配筋率不小于0.25%。同时，为减小应力突变造成的影响，转换层相邻上下层楼板适当加强，楼板厚度均取120mm，楼板双层双向配筋，且每层每方向的配筋率不小于0.2%。

2.6 转换构件的中震分析

框支剪力墙结构是典型的软弱层结构，上部剪力墙的抗侧刚度很大，而底部柱子抗侧刚度很小，上下刚度存在差异，在水平荷载作用下底部框架的层间变形很大，通常在底层柱两端出现塑性铰，地震作用产生的层间侧移会很大，框架柱不可能承受如此大的变形而常常被破坏，各地历史上均出现了多例框支剪力墙结构建筑在地震中遭到严重破坏的例子[3]。本工程处于6度区，考虑到转换构件对建筑安全的重要性，故对转换梁、转换柱的承载力补充了中震分析，即中震抗剪弹性、中震抗弯不屈服验算。

中震抗剪弹性分析时有关参数取值如下:地震影响系数取为小震的2.8倍，不计算风荷载，内力调整系数取1，其余参数同小震取值。KZZ1、KZL1计算结果摘录如下:KZL1加密区计算配箍Asv=6.8cm2，KZZ1加密区计算配箍Asv=7.1cm2，经复核，原设计配箍已满足中震抗剪弹性要求。

中震抗弯不屈服分析时有关参数取值如下:地震影响系数取为小震的2.8倍，不计算风荷载，内力调整系数为1，材料取标准值，荷载分项系数取1，抗震影响系数γRE取为1，其他参数同小震取值。KZZ1、KZL1计算结果摘录如下:KZL1梁底计算配筋为As=119cm2，KZZ1柱单边计算配筋为As=28 cm2，原设计配筋已满足中震抗弯不屈服要求。

3 结语

1)在结构布置过程中，积极与建筑设计师进行配合与协调，以达到转换构件的合理布置，尽可能减轻结构的不规则性，尽量减少转换层相邻上下层位置楼板开洞，同时尽量增加落地剪力墙的数量，提高结构的安全性。

2)本文针对转换梁、转换柱、框支剪力墙进行了充分的计算、分析和论证，同时按照规范要求进行多种软件的计算比较，通过有限元精细化分析及相关手算复核，为转换构件的结构设计提供了合理的依据。

3)通过中震计算结果分析，确保了转换构件在基本设防烈度地震(中震)作用下的抗剪弹性及抗弯不屈服。

[1]GB50010－2010，混凝土结构设计规范[S].

[2]JGJ3－2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[3]高立人、方鄂华、钱稼如编.高层建筑结构概念设计[M].中国计划出版社2005.11.