部分框支剪力墙结构设计要点

刘萦棣

(上海中建建筑设计院有限公司，上海 200135)

1 引言

为了满足高层建筑多功能、多用途的需要，如上部楼层为小开间的住宅或公寓，下部楼层为大开间的商场、餐馆或停车场，可以采用部分框支剪力墙结构来满足建筑的功能需求。部分框支剪力墙结构属于一种复杂结构，在结构设计时有专门的技巧与规定。

2 框支剪力墙的结构布置

2.1 上部结构与框支柱的布置

大部分框支剪力墙结构的上部功能为住宅、下部功能为大型商业、开敞式办公等要求大空间的结构。本文以某上部为住宅，下部为架空层的工程为例，介绍框支剪力墙的结构布置要点。该工程为地上33 层，地下2 层的住宅。建筑方案要求首层为架空层，要有良好的通透性和宽敞的活动空间。地下一层为私人会所，地下二层为停车库，主楼投影范围内要求能尽量多地留出停车的空间。因此，本工程要求采用部分框支剪力墙结构。

首先，根据建筑的平面，按常规的剪力墙结构初步布置剪力墙，如图1所示。

剪力墙落在框支框架梁上的称为直接转换，也称为主梁转换；剪力墙通过次梁转换的称为次梁转换，框支框架的轴线应尽量与上部剪力墙的主轴线对齐。在框支剪力墙设计中，应优先由采用主梁转换。框支柱的间距太小将会影响底部几层建筑的使用，但框支柱间距太大会使框支梁的高度太高，影响建筑的净高。因此，框支柱的间距一般宜在6～10 m。楼梯间、电梯井的剪力墙由于建筑功能的要求是可以直接连续贯通落地的，通常是不需要转换的。根据上述原则，结合底部架空层建筑功能的需要，先初步布置框支柱的位置，如图2所示。

2.2 上部结构的剪力墙布置优化

确定好框支柱的柱网后，需要对上部剪力墙进行优化调整。首先，将非主框支梁上方的剪力墙去掉或缩短，因为次梁转换的受力更复杂，所以尽量采用主梁转换。其次，将主框支梁上方的剪力墙之间的洞口尽量去除。

2.3 转换梁的布置

转换梁的布置除了应满足JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》[1](以下简称 《高规》）10.2.8 条的规定以外，转换梁的中线也与上部剪力墙的中心线重合，否则偏心布置的剪力墙会对转换梁产生非常大的扭矩，使转换梁处于弯剪扭的复杂受力状态。对于采用部分框支剪力墙的建筑，在方案阶段就需要考虑框支梁、框支柱凸出上部结构投影范围的问题。框支梁的截面高度通常是由梁的抗剪承载力决定的。上部楼层数越多，转换梁所需要的截面也越大，相应的，转换层所需要的层高也就越高。转换层的层高也对建筑有着很大的影响，在方案阶段宜进行结构试算来确定转换梁的高度。

图3中的虚线表示转换梁，粗实线为上部结构的剪力墙，灰色构件为落地剪力墙与转换柱。

2.4 落地剪力墙的布置

由于框支框架的转换，框支层上下竖向构件不连续，框支层上下刚度不连续，底部框架的抗侧刚度较上部的剪力墙结构的刚度弱很多。因此，《高规》规定，在底部框支框架层应布置一定数量的落地剪力墙，以提高框支剪力墙结构的整体抗侧能力。《高规》对转换层上、下结构侧向刚度有相应规定，也对落地的剪力墙有相应要求。

除了规范规定的落地剪力墙的布置要求，在实际工程应用中还应注意以下几点：(1）建筑上下贯通的楼梯间、电梯井是布置落地剪力墙的首选位置；(2）宜优先选择上部剪力墙贯通落地，这样才能使底部剪力墙在大轴力的作用下有更高的抗剪承载力；(3）落地剪力墙在X、Y 两个方向都应布置，而且两个方向的结构抗侧刚度应相近；(4）落地剪力墙轴线应尽量与框支框架梁轴线重合，形成带边框的剪力墙；(5）在保证框支层抗剪承载力、框支框架承担的地震倾覆力矩百分比和楼层层间最大位移与层高之比满足现行有关规定的基础上，落地剪力墙的数量最少即为合理。

2.5 其他注意事项

(1）转换层楼板厚度，应满足《高规》10.2.23 条的规定。(2）转换梁的受力以剪切变形为主。为了提高转换梁的抗剪承载力，通常转换梁的混凝土强度等级可取C40～C45。当转换梁截面高度受限、地震烈度较高时，可以将转换梁设置成型钢混凝土梁。(3）如果转换梁与设备管道井重叠，则需要在转换层上一层将管道井放大，或者采用增厚建筑面层做同层排水处理，以此避免管道穿转换梁，削弱转换梁的刚度和受剪承载力。

3 部分框支剪力墙结构计算重点

3.1 部分框支剪力墙结构的抗震性能目标

提高结构或构件的抗震承载力和变形能力是提高结构抗震性能的有效途径。对于复杂结构，提高关键部位结构的抗震安全性是抗震性能化设计的一项重要手段。

框支梁和框支柱在部分框支剪力墙结构中属于重要的“关键”结构构件，因此，参考GB 50011—2001《建筑抗震设计规范》(2016年版）[2]3.10 条以及附录M，对框支梁和框支柱宜按“中震弹性”或“中震不屈服”设计。对应的性能目标就是在设防烈度地震(“中震”）作用下，框支梁及框支柱仍处理弹性或不屈服的状态。

3.2 采用多种计算模型进行不同目标的分析

3.2.1 结构整体计算

部分框支剪力墙结构属于复杂结构，计算时应采用两种空间分析软件，对主体结构进行整体分析比较，以保证力学分析的可靠性。计算地震作用时采用考虑空间扭转耦联的振型分解反应谱法。

在对结构进行整体指标计算时，采用全楼刚性楼板假定。计算结构转换层上、下侧向刚度比，以满足规范要求；结构配筋设计时应采用非强制刚性楼板假定，计算结构内力，然后进行施工图设计。

3.2.2 弹性时程分析

《高规》第5.1.13 条规定：“抗震设计时，复杂高层建筑结构应采用弹性时程分析法进行补充计算”。当时程分析得到的剪力值大于振型分解反应谱计算的结果时，应在振型分解反应谱中通过剪力放大系数把相当楼层的剪力放大。

3.2.3 弹塑性静力或弹塑性动力分析

弹塑性静力或弹塑性动力分析是实现抗震设计 “大震不倒”目标的基本分析方法。结构在大震作用时，结构变形加大，部分构件进入塑性状态，其P-Δ 效应已经不能忽略，几何非线性程度加大，此时已经不能再采用线弹性分析的方法[3]。所以规范要求对于复杂高层结构宜采用弹塑性静力或弹塑性动力分析方法补充计算。

3.3 计算中模型的参数设置

(1）在计算软件(PKPM、YJK）中应在前处理模块中指定“转换柱”“转换梁”；(2）转换梁应该考虑轴向变形的影响，计算时转换层楼板定义为弹性楼板，考虑楼板的面内刚度，计算转换梁轴力；(3）框支转换结构属于竖向不规则结构，其转换层强制定义为薄弱层，薄弱层放大系数按10.2.4 条选取，此时与结构刚度比值无关；(4）转换层梁刚度放大系数，宜取为1.0；(5）为了使转换梁与上部剪力墙变形协调更加合理，墙元细分最大控制长度应尽量取小，宜取1 m。

3.4 转换梁的应力分析

根据《高规》10.1.5 条的规定：“复杂高层建筑结构中的受力复杂部位，尚宜进行应力分析，并按应力进行配筋设计校核。”

在各种常用的结构分析软件中，都对框支梁的应力分析有专门的计算手段。例如，在PKPM 中建模时可以用墙体代替转换梁，然后程序会将转换梁同剪力墙一样划分单元进行计算，然后再按梁配筋计算结果的形式显示；YJK 在后处理中指定了“转换梁”以后，会自动对转换梁进行单元划分并进行应力计算。

4 转换层的施工注意要点

4.1 混凝土模板支撑工程

框支层的层高通常都在5 m 以上，因此，框支梁属于一项危大工程。框支梁的截面通常都比较大，框支梁的模板属于承受超重荷载的模板，必须对模板工程进行专项设计，必须对模板工程安装编制专项方案，来控制施工过程安全与质量问题。若采用常规模板支撑靠下层结构支撑施工荷载，必须经过计算，如果超过楼板的设计荷载，则应将支撑撑至地下室底板。

4.2 混凝土工程

框支梁和框支柱的钢筋配筋量通常很大，有时还会配置钢骨，因此，框支梁和框支柱的混凝土可将骨料粒径适当减小。

框支梁通常都属于大体积混凝土，设计时应在结构设计说明中注明大体积混凝土的施工要求。施工前应做好施工组织，分段分层浇筑时严禁出现冷缝，浇筑时应分层振捣密实。梁柱混凝土强度不同时应做好接茬处理，保证节点核心区的混凝土强度与浇筑质量。

5 结语

本文以某框支剪力墙结构为例，论述了上部剪力墙布置与框支梁、框支柱布置、计算和设计的方法和要点，在实际项目应用中应根据结构的特点进行多种方案比例，以得到安全、可靠、经济、合理的结构。