浅析梁式框支剪力墙结构墙体的合理布置

殷伟锋

摘要：本文作者采用抗震概念设计方法，通过梁式部分框支剪力墙结构的工程设计实例，并结合自身的工程设计经验，对在结构设计中如何有效合理地进行墙体的平面布置进行了分析，以供设计者参考。

关键词：概念设计;部分框支剪力墙;梁式转换;墙体布置

在高层建筑中，为了满足建筑底部楼层大空间的功能需求，上部小开间剪力墙结构楼层中部分墙体不能直接贯通落地，中间必须通过设置转换层，由框支梁承托不落地墙体并转换过渡至相邻的框支柱落地，形成梁式部分框支剪力墙结构，体系中框支柱、框支梁、上部墙体和落地墙体通过转换层附近楼板联成一体，协同工作，共同承受竖向和水平向荷载。部分框支剪力墙结构能够提供底部多层较大的功能空间，适用于多种功能的空间组合，使用灵活方便，近年来在高层建筑中得到了广泛应用。但此类结构是反常规设计，受力上有着明显的缺点，存在着多处抗震的薄弱环节，在地震作用下转换层较易形成薄弱层，因此如何有效地弥补结构的不足，实现结构的安全、经济、适用，已成为结构设计师的当务之急。而转换层上下主体结构墙体的平面布置作为部分框支剪力墙结构设计的关键，直接决定着工程质量的优劣。笔者采用抗震概念设计方法，并结合自身的设计经验，通过梁式转换的工程实例，对如何有效合理地进行墙体的平面布置，提出了一些自己的看法，并结合结构性能指标，进行了深入的探讨。

梁式部分框支剪力墙结构传力路径为框支墙→框支梁→框支柱，受力传力较明确，工作可靠，构造简单，施工方便，而且转换层还可形成一定的建筑、设备的可利用空间，是目前应用最为广泛的一种转换结构。但梁式转换结构的不足在于，首先，转换导致上下层部分竖向构件不连续，改变了对外荷载的传力路径，导致传力不直接，局部应力复杂;其次，将上部抗侧刚度很大的框支墙转换为下部抗侧刚度相对较小的框支柱，竖向刚度发生突变，形成下柔上刚的不利结构形式。由于结构存在的缺点，往往引起转换层上下楼层的构件内力、位移角发生突变，在转换处较易形成薄弱层或软弱层，对结构的抗震较为不利。为了改善结构的受力性能，提高结构的抗震能力，就必须对墙体的平面布置进行抗震概念设计，整体把控协调，优化其布置。

一、墙体布置的概念设计

（一）受力传力简单直接。墙体布置时，应上下结构统筹考虑，整体协调，尽量使水平转换梁的受力传力比较简单直接，路径比较清晰明确。转换层上部一般为小开间剪力墙结构的住宅、公寓，由于墙体承载力较大、刚度较高，宜布置成较大开间，而适宜的较大跨度对转换的合理性也较为有利，因此上部墙体一般应间隔一定的间距分散均匀布置，开间过小过密时可采用隔跨布置，尽量做到跨度适宜，能充分发挥墙体承载能力。分散的上部结构墙体应尽量与下部主轴线相对应，直接落在转换层的主框支梁上，避免多级复杂转换，缩短传力路径，这样既能减轻上部结构的自重，达到整体刚度适宜，又能便于下部结构框支柱的优化布置，最大化利用功能空间。

（二）减少墙体转换。布置上下结构墙体时，应结合建筑平面，兼顾结构的合理性，尽量做到墙体上下连续，贯通落地，也可和建筑專业协商结构方案的优化。在不降低建筑品质的情况下，尽量减少墙体的转换，特别是周边墙体，而角部墙体不应转换。一般情况下，可控制下部落地墙体的面积不少于上部墙体面积的50%。墙体应尽可能布置在上下主体结构均适宜的部位，能上下贯通的尽量贯通，这样既可以保证结构的传力直接、刚度连续，又可以做到经济合理。设计中为了保持转换层上下结构的刚度匹配，过渡平缓，可对上下连续的墙体，在转换层以上进行适度的减薄减短。

（三）上部墙体的合理布置。结合建筑的平面布局，上部的周边外墙尽量设置转角翼缘，墙体上门窗洞口尽量位于转换梁跨中，洞边墙体宜布置翼缘墙、端柱或墙体加厚，尽量不采用无连梁相连的单片墙、短肢墙。上部墙体应符合简单规则，均匀对称，周边布置的原则，尽量使楼层水平荷载中心与结构刚度中心接近，减少扭转的不利影响。在满足规范层间位移角及轴压比限值的前提下，尽量压缩不落地墙体的长度及厚度。墙体高宽比可控制略大于8，厚度限值可控制到200mm，墙体与框支梁截面中线宜重合，尽量做到不偏心。转换层内的墙体应力分布复杂，作用尤为重要。为了将上部外荷载通过该部分墙体可靠传递到下部楼层，在该层墙体中不宜布设边门洞，也不宜在中柱上方布设门洞。

（四）下部墙体的合理布置。结合建筑的平面布局，下部落地墙体两端宜布置翼墙或端柱，在不影响建筑品质的情况下，尽量纵横结合，组合布置，截面可采用L，T，十字形等形式，能形成落地筒最佳。楼电梯间及管道井处，可充分利用周边落地墙组合成筒体。建筑的四个角部也尽量做成落地墙筒。下部墙体的最大间距应符合规范要求，所承担的地震倾覆力矩，应大于结构总地震倾覆力矩的50%。落地墙体宜分布较为均匀，尽量沿平面周边布置，以增大结构的抗侧刚度及抗扭刚度，每片墙承担的水平剪力宜尽量接近。下部墙体尽量不开洞，若须开洞尽量开小洞，防止刚度削弱过大，洞口位置宜布置在墙体的中部，上下对齐。落地墙体和框支柱宜均匀对称布置，间距满足规范要求，以符合下部大空间楼层楼板平面内刚度的要求，使上部楼层的剪力能可靠有效地传递给落地墙体及框支柱。结构刚度偏心也应控制，以免地震中由于扭转效应而使框支柱严重损坏。

⑸. 加强下部，削弱上部。对于部分框支剪力墙结构，应使转换层上下主体结构侧向刚度、变形特征及楼层剪力尽量接近，结构整体性能指标在转换处能平缓过渡，设计中一般采用转换处上下相邻楼层层间位移角比来控制上下结构构件内力和位移的突变。根据结构刚度的分布特征，采取优化措施，一是加强下部大空间的刚度：合理压缩层高，加长加厚落地墙体，提高混凝土强度等级，必要时可在房屋角部及周边适当位置增设补偿墙体，也可增设楼梯间墙体，与周边墙段围成筒体，增设部分可只延伸至转换层楼面;二是削弱上部结构的刚度：在性能指标满足规范的前提下，适当加大层高，尽可能削弱不落地墙体，优化墙体布置，对过长的墙体进行适度开洞、开口等。

二、工程实例一

（一）工程概况

本工程位于湖南省张家界市，为一栋地下1层，地上23层的高层建筑。地下一层为大地库及设备用房，层高为4.3m;一至二层为商场，一层层高为5.3m，二层层高为4.4m;三至二十三层为住宅，三层层高为3.25m，四至二十三层层高均为2.95m，主体结构总高度为72.150m。该工程为标准设防类建筑，建筑结构安全等级为二级，设计使用年限为50年，抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为第一组，特征周期Tg=0.35秒，设计基本风压为W0=0.30 KN/m2，场地类别为Ⅱ类，地面粗糙度类别为B类，钢筋均采用HRB400级钢筋，填充墙体采用烧结多孔页岩砖。

（二）结构方案

分析工程概况和建筑功能，考虑结构合理性，确定结构方案。首先，结构体系采用部分框支剪力墙结构，转换层设置在地上二层，转换构件采用框支主次梁，二层以下为框支剪力墙结构，三层及以上为剪力墙结构;其次，结构的嵌固部位设置在±0.000，即地下室顶板处，这样既能使结构传力受力明确清晰，又能做到经济合理;再次，与建筑协商，上部住宅户型墙体尽量纵横向拉通对齐，均匀规整，减少结构多级复杂转换;再次，构造加强转换层以上三层的剪力墙，墙体尽量设置转角翼墙，并尽量保证框支柱范围内有剪力墙;再次，严格控制框支柱和落地剪力墙的轴压比，加强结构的承载能力和延性;最后，部分结构转换构件采用宽梁，承托上部对称多墙及转角翼缘短墙，减少转换次数，改善结构受力性能。

（三）结构构件

⑴. 剪力墙：二层以下的剪力墙，截面厚度为400mm，抗震等级为三级，混凝土强度等级为C40;三～四层的剪力墙，截面厚度为200mm，抗震等级为三级，混凝土强度等级为C40;五层的剪力墙，截面厚度为200mm，抗震等级为四级，混凝土强度等级为C40;六层以上的剪力墙，截面厚度为200mm，抗震等级为四级，混凝土强度等级为C30。

⑵. 框支柱：截面尺寸为800mm×800mm和800mm×1400mm，抗震等级为二级，混凝土强度等级为C40。

⑶. 框支梁：框支主梁截面尺寸为750mm×800～1300mm，1400mm×1300mm，框支次梁截面尺寸为600mm×850mm，抗震等级为二级，混凝土强度等级为C35。

⑷. 楼板：一层楼板（地下室顶板）厚度为180mm，二层楼板厚度为120mm，三层楼板（转换层楼板）厚度为180mm，四层楼板厚度为120mm，屋面板厚度为120mm，其余楼板厚度为100～110mm，三层楼板混凝土强度等级为C35，其余均为C30。

（四）结构措施

根据概念设计的原则，采取以下措施：

⑴根据建筑平面，上部住宅部分墙体厚度取为200mm，按照周边，角部，对称，均匀，分散的原则，大开间布置L，T等截面形式的一般剪力墙，并尽量沿纵横向拉通对齐，规整布置。建筑角部的墙体均结合平面布置成L形，并构造加长，以提高结构的整体抗扭能力。由于住宅户型X向墙体偏少，在不影响建筑品质的情况下尽量多在X向布置长墙肢，并整体控制X和Y向墙体的合适比例，使结构在两个主轴方向上的动力特性尽量接近。除控制轴压比及减少梁跨需要外，墙长肢长度取为1650mm，翼缘短肢长度取为600mm，尽量不布置短肢墙和一字形墙。

⑵结合转换层下部二层商场的平面，上部住宅墙体尽量布置于主轴线的框支主梁上，转换次数一般控制在1次，局部受建筑户型限制，必须设置框支次梁，也应控制转换次数在2次以内。墙体布置优选较短的转换传力路径，框支主次梁截面选取也应保证必要刚度，减少受载时框支梁的位移，确保计算准确。在转换复杂处，采用十字交叉框支次梁，确保受力传力准确合理。

⑶结合转换层下部二層商场的平面，在不影响建筑品质的情况下，建筑角部及楼电梯间，墙体采用L形等受力较好的截面形式，尽量直接贯通落地，组成落地筒，也可和附近框支柱结合，组成带端柱的落地墙。其余落地墙按照周边均匀分散对称的原则，与附近框支柱结合布置，并调整好楼层的刚心和质心尽量接近，减少扭转的不利影响。

⑷转换层以上剪力墙结构住宅有二十一层，根据轴压比的计算数据，适当分段，从下到上逐段缩减墙肢和降低混凝土强度等级，做到结构竖向平缓过渡，既减轻结构自重，又使结构刚度适宜。

⑸计算准确全面。本工程采用SATWE和PMSAP进行结构分析计算，并进行了弹性时程补充分析，对转换层楼板还进行了应力分析。在结构模型计算中，考虑双向地震和偶然偏心作用进行整体分析;控制振型数量，充分考虑高振型的不利影响;指定框支柱和框支梁;指定一层至转换层以上两层为弹性模;指定转换层为薄弱层;构件的抗震等级进行复核指定。

（五）结构布置

按照结构方案及结构措施确定的原则，运用概念设计方法，先拟定结构构件，后进行构件的平面布置，建立结构模型，通过反复演算修正，对性能指标及构件尺寸不断优化调整，最终得到比较完善合理的结构平面布置图。

转换层以下，结构X和Y向侧向刚度合适，承载力分布均匀，平面刚心与质心接近。建筑角部及楼电梯间，墙体直接贯通落地，并与附近框支柱组合布置，形成L形和带端柱的墙肢截面形式。其他落地墙也按照周边、对称、均匀、分散布置，均与框支柱组合，形成带端柱的墙肢截面形式。梁板墙柱配筋合理，墙柱

三、结语：

通过工程实例的设计实践，我们认识到部分框支剪力墙结构的设计是一个复杂的过程，而结构墙体的布置是决定整个结构设计优劣的关键一环。在以后的同类建筑结构设计中，我们应该根据具体的工程概况，以概念设计为原则，以规范标准为依据，科学地布置剪力墙，通过相关专业的紧密配合、模型数据的反复优化，找出结构的薄弱部位，有的放矢地加以修正，最大化减少客观条件的不利影响，在实现建筑功能及美观的同时，保证结构设计的安全可靠，经济合理。

参考文献：

[1]GB50011-2010 建筑抗震设计规范（2016年版）[S]. 北京： 中国建筑工业出版社， 2016.

[2]JGJ 3-2010 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.

[3]高立人，方鄂华，钱稼茹. 高层建筑结构概念设计[M]. 北京：中国计划出版社，2005.