現(xiàn)代化高層框支剪力墻轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

蔣楓 倪華英

摘要：本文介紹了框支剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，包括結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)選型、抗震等級(jí)確定、結(jié)構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)三維整體分析和轉(zhuǎn)換構(gòu)件的構(gòu)造要求等，其中，梁式轉(zhuǎn)換層是實(shí)現(xiàn)垂直轉(zhuǎn)換最常用的結(jié)構(gòu)形式。并應(yīng)嚴(yán)格結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移值和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，使結(jié)構(gòu)布局合理。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)框支剪力墻；轉(zhuǎn)換層概念設(shè)計(jì)

一 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算優(yōu)化

（1）剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的優(yōu)化

在剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻宜沿主軸方向或其他方向雙向布置，形成空間結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計(jì)的剪力墻結(jié)構(gòu)，應(yīng)避免僅單向布置剪力墻，并宜使兩個(gè)受力方向的抗側(cè)剛度接近，以使其具有較好的空間工作性能。剪力墻的抗側(cè)剛度及承載力均較大，為充分利用剪力墻的能力，減輕結(jié)構(gòu)重量，增大剪力墻結(jié)構(gòu)的可利用空間，墻不宜布置太密，使其結(jié)構(gòu)具有適宜的側(cè)向剛度。

剪力墻墻肢截面宜簡(jiǎn)單、規(guī)則，剪力墻的豎向剛度應(yīng)均勻，剪力墻的門窗洞口宜上下對(duì)齊、成列布置，形成明確的墻肢和連梁，應(yīng)力分布比較規(guī)則，又與當(dāng)前普遍應(yīng)用的計(jì)算簡(jiǎn)圖較為符合，設(shè)計(jì)結(jié)果安全可靠。宜避免使墻肢剛度相差懸殊的洞口設(shè)置，當(dāng)剪力墻的洞口布置出現(xiàn)錯(cuò)洞、疊合錯(cuò)洞時(shí)，墻內(nèi)配筋應(yīng)構(gòu)成框架形式。

較長(zhǎng)的剪力墻宜開(kāi)設(shè)洞口，將其分成長(zhǎng)度較均勻的若干墻段，墻段之間宜采用弱連梁連接，每個(gè)獨(dú)立墻段的總高度與其截面高度之比不應(yīng)小于2，以避免剪力墻產(chǎn)生脆性的剪切破壞。抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量避免在洞口與墻邊或在兩個(gè)洞口之間形成墻肢截面高度與厚度之比小于4的小墻肢。當(dāng)小墻肢截面的高度小于墻厚的4倍時(shí)，應(yīng)按框架柱設(shè)計(jì)，箍筋按框架柱加密區(qū)要求全高加密。

剪力墻的特點(diǎn)是平面內(nèi)剛度及承重力大，而平面外剛度及承載力都相對(duì)很小，應(yīng)控制剪力墻平面外的彎矩，保證剪力墻平面外的穩(wěn)定性。當(dāng)剪力墻墻肢與其平面外方向的樓面梁連接時(shí)，應(yīng)采取足夠的措施減少梁端部彎矩對(duì)墻的不利影響。

剪力墻布置對(duì)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度有很大影響，剪力墻宜自下到上連續(xù)布置，避免剛度突變；允許沿高度改變墻厚和混凝土強(qiáng)度等級(jí)，或減少部分墻肢，使側(cè)向高度沿高度逐漸減小。剪力墻沿高度不連續(xù)，將造成結(jié)構(gòu)沿高度剛度突變，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震不利。

在進(jìn)行剪力墻設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)通過(guò)結(jié)構(gòu)分析，在滿足最大層間位移、周期比、位移比的各項(xiàng)指標(biāo)確定每層剪力墻的厚度時(shí)，同時(shí)考慮不同抗震等級(jí)軸壓比的影響及穩(wěn)定性和相關(guān)構(gòu)造要求。對(duì)于普通的住宅建筑在7度和8度地區(qū)，墻厚大多數(shù)情況下是按穩(wěn)定和構(gòu)造要求所控制的。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》確定的剪力墻允許高厚比。

（2）剪力墻結(jié)構(gòu)計(jì)算方面的優(yōu)化；

在設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求綜合考察結(jié)構(gòu)是否合理，如剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度不宜過(guò)大，在滿足樓層最大層間位移與層高之比滿足規(guī)范的基礎(chǔ)上，以規(guī)范規(guī)定的樓層最小剪力系數(shù)為目標(biāo)，使計(jì)算結(jié)果無(wú)限接近規(guī)范值。

（3）樓層最小剪力系數(shù)的調(diào)整原則；

在滿足短肢剪力墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩占結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力矩不超過(guò)40%的前提下，盡可能減少剪力墻的布置，以大開(kāi)間剪力墻布置方案為目標(biāo)，使結(jié)構(gòu)具有適宜的側(cè)向剛度，使樓層最小剪力系數(shù)接近（不小于）規(guī)范限值。這樣能夠減輕結(jié)構(gòu)自重，有效減小地震作用的輸入，同時(shí)降低工程造價(jià)。

（4）樓層最大層間最大位移與層高之比的調(diào)整原則；

規(guī)范規(guī)定在計(jì)算多地震作用的樓層最大層間位移時(shí)，以樓間彎曲變形為主，計(jì)入扭轉(zhuǎn)變形，可不扣除結(jié)構(gòu)整體彎曲變形。因此，對(duì)于高層建筑應(yīng)盡可能扭轉(zhuǎn)變形最小，但又不能僅根據(jù)這些層間位移不夠不加分析地增加豎向構(gòu)件的剛度。

（5）連梁超限的調(diào)整原則；

《高規(guī)》規(guī)定剪力墻長(zhǎng)度不宜大于8m，當(dāng)大于8m時(shí)，宜采用弱連梁將其分開(kāi)。同時(shí)還規(guī)定跨高比不小于5的連梁宜按框架梁進(jìn)行設(shè)計(jì)；有地震作用組合時(shí)，對(duì)于高跨比大于2.5及小于2.5兩種情況，在截面受剪承載力及配筋方面有不同規(guī)定。為此應(yīng)將連梁進(jìn)行塑性調(diào)幅，以降低剪力設(shè)計(jì)值。塑性調(diào)幅可采用兩種方法：

1.在內(nèi)力計(jì)算前將連梁剛度進(jìn)行折減；

2.在內(nèi)力計(jì)算之后，將連梁彎矩和剪力組合值乘以折減系數(shù)。無(wú)論采用何種方法，連梁調(diào)整后的彎矩、剪力設(shè)計(jì)值不應(yīng)低于使用狀況的值，也不宜低于比設(shè)防烈度低一度的地震組合所得的彎矩設(shè)計(jì)值，以避免在正常使用條件下或較小的地震作用下連梁出現(xiàn)裂縫。

二 框支層結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

框支剪力墻結(jié)構(gòu)的薄弱部位在框支層，故加強(qiáng)其延性，提高抗震性能是十分重要的。

（1）增加墻量及剛度

建筑功能要求大空間，不能設(shè)置更多的落地剪力墻，故在不影響功能的情況下，爭(zhēng)取有可以落地墻體，以增加框支層墻量及剛度。

（2）采用鋼纖維混凝土，提高抗震性能

為提高框支層抗震性能，提高其延性，國(guó)內(nèi)已有工程采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)及配有構(gòu)造縱向鋼筋及螺旋箍筋的鋼筋混凝土柱?？蛑迂Q向構(gòu)件包括墻和柱，采用鋼纖維混凝土，1m3混凝土內(nèi)鋼纖維摻量為80kg，可提高抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值約35%，提高抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值約50%。除強(qiáng)度提高外，鋼纖維混凝土與普通混凝土同時(shí)使用，不需要采取特殊的構(gòu)造措施，因此可用于設(shè)計(jì)需要加強(qiáng)的部位，而不需要的部位可以不用，具有較大的靈活性。

三 轉(zhuǎn)換層的優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）特殊框支梁的設(shè)計(jì)

按規(guī)范要求轉(zhuǎn)換層上部的剪力墻宜直接落在框支主梁上，但轉(zhuǎn)換層上下部軸網(wǎng)不重齊，有時(shí)很難完全做到?？梢栽O(shè)計(jì)成等高交叉框支主梁，以滿足規(guī)范的要求。

（2）框支梁的計(jì)算與構(gòu)造

1、框支梁計(jì)算采用SATWE程序，并用FEQ程序進(jìn)行復(fù)核。

2、應(yīng)滿足按規(guī)范要求框支梁上、下部縱向鋼筋最小配筋率?？蛑Я旱墓拷钛厝缂用?。

3、框支梁的斷面上下部縱向鋼筋均直通到框支柱內(nèi)。以上構(gòu)造均滿足規(guī)范要求。

（3）轉(zhuǎn)換層樓板

按規(guī)范要求樓板厚度不宜小于180mm，應(yīng)雙層雙向配筋，且每層每方向的配筋率不宜小于0.25%，樓板中鋼筋應(yīng)錨固在邊梁或墻體內(nèi)。

（4）轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題

1、要保證大空間層有充分的剛度，防止沿豎向剛度變化過(guò)于懸殊?？拐鹪O(shè)計(jì)時(shí)，要控制轉(zhuǎn)換層上下層剛度變化率，使之盡量接近1，不大于2。為此可以采取控制落地剪力墻的比例，加大落地墻的厚度，提高砼的強(qiáng)度等級(jí)，減小洞口尺寸，使縱橫連接形成筒體，還可以增設(shè)補(bǔ)償剪力墻，來(lái)增加空間層的剛度。

2、復(fù)雜受力構(gòu)件，進(jìn)行空間分析整體計(jì)算后，一定要截取框支梁上下兩層作為計(jì)算單元，進(jìn)行有限元分析計(jì)算?？蛑Я旱慕孛娉叽缬杉袅刂?，截面高度可取跨度的1/5～1/7，必要時(shí)加腋梁。在構(gòu)造上要采取措施，提高框支梁和上部墻體整體受力性能，放大框支柱柱頭并直通框支梁的頂部，解決框支梁的剪力傳遞。 3、轉(zhuǎn)換層位置較高的高層建筑不利于抗震，轉(zhuǎn)換層位置設(shè)定要符合抗震設(shè)防烈度要求。為保證結(jié)構(gòu)的安全，和地震作用下落地剪力墻和框支柱不先于轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)進(jìn)入屈服狀態(tài)，要使大空間層的安全系數(shù)大于上部。要嚴(yán)格控制框支柱的軸壓比和柱端抗剪強(qiáng)度。試驗(yàn)資料表明，轉(zhuǎn)換層樓板有變形，大空間部分框支柱的位移增大，從而使框支柱的剪力比計(jì)算值大了很多。因此底部大空間樓層框支柱的內(nèi)力不能直接采用樓板剛度無(wú)限大的假定計(jì)算結(jié)果，抗震時(shí)框支柱的軸壓比控制在0.6以下，箍筋采用復(fù)合箍，間距不大于100mm，以增大柱子的延性。

五.結(jié)束語(yǔ)

總體來(lái)說(shuō)結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件傳力不連續(xù)性，造成結(jié)構(gòu)上荷載不能傳遞給下部對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，而是通過(guò)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分配，再向下傳遞給下部結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件，故轉(zhuǎn)換構(gòu)件相當(dāng)重要而且受力非常復(fù)雜，保證轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)正常地、可靠地、有效地工作是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。