某框支剪力墙结构的分析与构件设计

王云杰 （安徽省建筑设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230601）

0 前言

结构转换由于受力复杂、不利于抗震，一直是结构设计中的难点。陈世泽[1]分析了大跨体育场结构设计中的大跨梁上转换问题，熊进刚[2]等分析了高层建筑中的梁式转换结构，傅学怡[3]总结了带转换层高层建筑结构的正确设计概念、方法和构造做法。在这些研究的基础上，随着电算能力的进步，用实体单元的有限元分析法对转换结构进行分析成为可能，同时有限元模型与壳单元模型对比分析和包络设计为转换结构这一设计难点提供了新的解决方法。

1 工程概况

某高层住宅项目结构高度为94.2m，地面以上30层，地下3层。在结构2层部分剪力墙通过框支框架转换将竖向荷载传递到基础，建筑效果和结构模型分别如图1和图2所示。该工程的结构设计基准期为50年，结构安全等级为一级。抗震设防烈度为7度（0.15g），建筑场地类别为Ⅲ类，设计地震分组为第二组[4]，抗震设防类别为乙类。项目所在地50年一遇基本风压0.45kN/m2，地面粗糙度类别为B类[5]。

图1 建筑效果图

图2 结构模型

图3 结构2层平面图

图4 结构3层平面图

本文主要结合该项目，分别采用YJK模型和MIDAS实体单元模型对转换层和转换构件进行分析和设计。结构2层为转换层如图3所示，结构标准层如图4所示。

2 转换层的等效剪切刚度比

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）附录 E.0.1[6]，转换下层与转换层上层结构的等效剪切刚度比宜接近1.0，不应小于0.5。表1给出了本结构转换下层与上层结构的等效剪切刚度比，X方向为0.97，Y方向为0.73，均大于0.5，接近1.0。所以转换下层与上层结构的等效剪切刚度比满足规范要求。

3 实体模型分析

考虑到壳单元模型较难反映框支梁上墙体偏心造成的扭矩的不利影响，因此采用Midas软件进行对比分析，利用实体单元模拟框支梁和框支柱，并按实际尺寸位置布置梁上墙体。为方便分析比较，将转换构件分为三个区域进行编号，如图5。

表2给出了Midas实体单元模型与YJK壳单元模型的整体分析。

转换下层、上层结构等效剪切刚度比 表1

整体分析结果 表2

框支柱各荷载工况下的柱底轴力比较（单位：kN） 表3

框支梁各荷载工况下的支座剪力比较（单位：kN） 表4

图5 框支构件实体单元模型示意图

图6 框支梁与框支柱编号

以上结果表明，Midas实体单元模型与YJK壳单元模型的整体分析结果接近。

4 框支构件设计

采用YJK软件（壳单元模拟）和Midas软件（实体单元模拟）分别对框支柱内力进行对比分析，分析得出两种方法得到的内力，表3和表4分别给出了框支柱和框支梁在部分工况下的内力对比结果。框支构件编号见图6。

表3结果表明，采用壳单元和实体单元模拟框支构件得到的柱大部分断面的内力大致相同，其中各荷载工况下的柱轴力结果接近，而部分柱底剪力和弯矩略有差异，主要原因是壳单元模型与实体单元模型相比，柱端节点域的刚度与长度范围存在差异。表4表明，采用壳单元和实体单元模拟框支构件得到的框支梁内力有所差异：两个模型在各荷载工况下的梁端支座剪力比较接近，同时还应对转换梁梁端支座弯矩支座扭矩进行对比，并根据结果进行包络设计。

5 框支构件应力分析结果

为指导框支构件的配筋设计，确定需要加强配筋的部位，下面给出采用Midas实体单元分析得到的框支构件主拉应力结果。图7给出了恒载框支框架混凝土主拉应力。

图7 恒载作用下框支构件主拉应力

图7表明，竖向荷载作用下，框支梁支座和跨中部位的主拉应力值较大。同时还应分析地震和风荷载作用下框支构件下的主拉应力，并对应力集中的位置在施工图设计中采取加腋和加强配筋等措施。

6 结语

本文对某高层建筑中的转换层及转换构件进行了深入分析，采用实体单元模拟框支构件，按实际尺寸建立分析模型。将实体单元模型与壳单元模型的框支构件内力进行比较，确保框支构件内力结果准确，并根据实体单元应力分析结果采取局部加腋的加强措施。