浅谈部分框支剪力墙结构设计要点与难点

樊爽

浅谈部分框支剪力墙结构设计要点与难点

樊爽

随着城市高层建筑的日渐增多，对建筑结构也提出了更高的质量要求。高层建筑采用部分框支剪力墙结构可以满足商住楼底部大空间的使用要求，而上部采用剪力墙结构可以避免房间里出现框架柱，使房间美观且实用。本文针对部分框支剪力墙结构设计要点与难点进行研究。

一、引言

目前，高层建筑结构中，框支剪力墙结构得到了广泛应用，使建筑功能得以充分发挥。框支剪力墙结构属于复杂高层结构设计，在应用框支剪力墙结构的过程中，要高度重视建筑质量，建筑结构应合理设计，以确保建筑的使用安全。

二、工程概况

某项目位于陕西省汉中市略阳县，该县城属于典型的山城地貌，寸土寸金。临街位置需要大型商业建筑，建筑功能1、2层为商场，3、4层为办公，从5层到27层为居民住宅，地下两层为车库。经过剪力墙、框架剪力墙、框支剪力墙等各种方案论证，最终采用框支剪力墙结构来满足功能要求且使该项目利润最大化。整个工程项目的总面积为7万平方米，采用桩筏基础，整个建筑高度为88.30米。安全等级为二级。本建筑的使用年限为50年，抗震设防烈度为7度。将地上4层顶设置为转换层，采用梁式转换，由于转换层结构所受到的地震力比较复杂，要确保框支结构和剪力墙结构的安全可靠，就要对转换层进行科学合理地设计。

三、建筑结构的布置

由于本工程1～4层为商场、办公，需要大的空间。将地上4层顶设置为转换层，确保地上的1～4层的空间扩大。

较为常见的转换结构有箱式转换结构、梁式转换结构、桁架式转换结构以及厚板转换结构等等。在结构布置的时候，要求平面设计不仅合理，而且受力要均衡。为了避免产生扭转的问题，就要求结构平面的刚心和质心接近。在设计中，对地上4层的剪力墙进行了科学调整，包括框支柱、转换梁所在位置经过调整之后都得以优化。其中，对竖向结构进行布置的时候，需要进行大量的试算，主要是对转换层上部和转换层下部的刚度比予以控制，以使其满足高规附录E的规定。在框支剪力墙结构中很容易产生上面刚度大而下面较为柔弱的现象，就需要对转换层下部刚度进行增加，相应地，将转换层上部的刚度减弱，以确保转换结构符合设计规定。

四、建筑结构的分析

1.结构整体抗扭的控制以及平面不规则控制中要重视位移比

结构整体抗扭的控制以及平面不规则控制中需要注意两个方面的问题，其一，楼层的竖向构件所产生的水平方向的位移最大值与水平位移平均值之间的比值；其二，在考虑5%偶然偏心影响的规定水平地震作用下，楼层的竖向构件所产生的层间位移的最大值与层间产生位移的平均值之间的比值，此比值不宜大于1.2，不应大于1.5，当大于1.2时须考虑双向地震作用。

2.结构扭转效应的控制需要重视周期比

周期比就是指第一自振周期之间的比值，即结构扭转的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之间的比，这是一项重要的指标，可以反映出结构产生扭转的刚度以及在扭转的过程中所产生的惯量值。结构可采用刚性楼板假定计算周期比。如果周期比大于0.9，就可以证明结构产生了明显的扭转效应，就意味着结构的抗震性能是比较差的。在调整周期比的过程中，需要合理布局结构抗侧力构件，要不拘泥均匀布局，抗侧力构件应尽量对称，要使结构中间位置的刚度有所减低，比如减少墙肢、缩小截面；同时，结构周边的刚度要有所增加，比如增大外围、边角的梁、柱截面，加大加长剪力墙。

3.结构竖向不规则性的控制以及薄弱层的判断需要重视层间刚度

控制好层间的刚度是非常必要的。各层的刚度都要满足设计要求，特别是转换层与相邻的上层结构的等效侧向刚度比值要符合高规附录E。在整个高层建筑中，转换层都属于薄弱层，需要根据转换层位置，合理判断上下层剪切和剪弯刚度的比值。

4.抗震设计中要重视剪重比

抗震设计中要重视剪重比。如果剪重比不够，就意味着结构上存在薄弱部位，就需要做好调整工作，剪重比不足一般存在于结构下部，应采取加强竖向构件、增加抗侧力构件或加大截面来调整。在计算剪重比时，要求振型个数要充足，使质量系数要超过0.9。

5.结构整体稳定的控制要重视刚重比

刚重比就是结构刚度与重力荷载之间的比值，该指标较容易满足要求，如未能满足须考虑重力二阶效应，才能够确保结构整体稳定。

6.按照有关规定对转换梁和框支柱进行调整以提高其抗震性

对结构的抗震性进行调整，要重点考虑转换梁的竖向地震作用。对转换柱以及转换梁的确定，可以在特殊构件里点击修改，并根据计算结果对结构的内力进行调整。

7.结构计算

复杂高层建筑结构采用弹性时程分析法进行补充计算，宜采用弹塑性静力或弹塑性动力分析方法补充计算。本工程采用SATWE和PMSAP分别计算，在均满足规范要求的情况下按包络设计。

五、提高框支剪力墙结构抗震性能需要采取的技术措施

本建筑共27层，转换层位于4层顶，属于高位转换，结构相对复杂，无论是平面布置，还是竖向布置，都需要采取相应的技术措施，以提高建筑的抗震性能。

1.框支框架、剪力墙结构抗震技术措施

本工程各构件抗震等级的确定，由于转换层位于4层顶，超过三层，因此1～4层框支柱、剪力墙抗震等级须提高一级为特一级，1～4层框架梁为一级；5、6层为加强区，剪力墙等级为特一级；7层以上剪力墙为二级。在正确确定抗震等级的前提下合理按规范要求进行计算，并注意各个抗震等级下纵筋、箍筋最小值及配筋率等构造要求。

2.框支剪力墙结构的转换层以及其上层楼板和下层楼板的设计

转换层以及其上层楼板和下层楼板的设计是不同的。下层楼板的落地剪力墙刚度与框支柱刚度之间存在着差异，通常剪力都在落地剪力墙处集中，导致荷载增加，使得转换层突变。上层楼板的水平剪力分布在剪力墙上，与刚度成比例。只有当转换层达到规定的刚度，上层楼板和下层楼板的剪力分配不同，所产生的变化位置也会有所不同，所以转换层楼板选择厚度为180毫米，通长配筋并提高配筋率。上、下层楼板厚度采用150毫米，也采用通长配筋。这样可以确保上下楼层剪力的均匀变化。

3.上部剪力墙的设计

转换层上部剪力墙的平面布置应尽量设置在一级转换梁上、尽量避免出现二级转换，这样可使上部剪力墙落在刚度较大的转换梁上，计算上也容易满足各个规范指标。转换层上层剪力墙应增大配筋率，并满足施工缝验算要求。框支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。

六、结语

综上所述，目前的高层建筑越来越多，使用框支剪力墙结构，不仅下部能够实现框架剪力墙的大空间使用要求，同时上部房间又能体现出剪力墙结构的优势，使建筑功能得以最优化，而且能使建筑项目达到最大效益。但是，这种框支剪力墙结构存在着抗震能力低的缺陷，这就需要在工程结构设计中对抗震问题特别关注，优化转换层上、下部结构的布置，确保设计方案合理。从建筑实用性的角度进行设计，有助于更好地完成设计目标。

（作者单位：陕西省现代建筑设计研究院）