某大型住宅小区高层框支剪力墙结构设计分析

　　本工程场地位于深圳市宝安新中心区宝安体育馆西南侧，本工程总建筑面积为206371.86㎡，包括：住宅部分首层架空，转换层以上为24层、26层、27层住宅。本工程设一层地下室和两层车库，地下一层局部设核六级人防及设备用房，平时用作停车库。本工程设计使用年限为50年，建筑抗震设防类别为丙类。建筑结构的安全等级为二级。

　　2.梁式转换层的结构设计要点(以24层2栋1座为例)

　　2.1抗震等级的确定

　　本工程转换层以下为框架—剪力墙结构,转换层以上为纯剪力墙结构,是多种结构形式共存的复杂高层建筑,因而不能像单纯的框架结构或者剪力墙结构那样笼统地确定抗震等级,而应该严格按照现行规范的不同章节,有针对性地分别确定结构体系各部位不同结构构件的抗震等级。该工程属“框支剪力墙”结构,地上高度79.4m,转换层设在三层楼面(属高位转换),7度抗震设防,其框支框架抗震等级为一级，加强部位剪力墙抗震等级为一级，非底部加强部位剪力墙抗震等级为二级。

　　2.2结构竖向布置

　　高层建筑的侧向刚度宜下大上小,且应避免刚度突变,然而带转换层的结构显然有悖于此,因此《高规》对转换层结构的侧向刚度作了专门规定。对该工程而言,属于高位转换,转换层上下等效侧向刚度比宜接近于1,不应大于1.3。在设计过程中,应把握的原则归纳起来就是要强化下部,弱化上部,尽量避免出现薄弱层。可采用的方法有以下几种。

　　(1)与建筑专业协商,使尽可能多的剪力墙落地,必要时甚至可以在底部增设部分剪力墙(不伸上去)。这是增大底部刚度最有效的方法。除核心筒部分剪力墙在底部必须设置外,还通过与建筑专业协商,让两侧各有一片剪力墙落地,并且北部还有一大片L型剪力墙也落地。这些措施大大增强了底部刚度。

　　(2)加大底部剪力墙厚度,减小上部剪力墙厚度,转换层以下剪力墙厚度取为300~500mm,上部厚度取为200mm。

　　(3)底部剪力墙尽量不开洞或开小洞,以免刚度削弱太多。

　　(4)提高底部柱、墙混凝土强度等级,采用C55混凝土。

　　2.3结构平面布局

　　工程转换层下部为框架-剪力墙结构,体形复杂,不规则;转换层上部为纯剪力墙结构,由于建筑布置的不对称,剪力墙的布置经过多次试算,最后结果是质量中心与刚度中心偏差不超过1m,结构偏心率较小。除核心筒外,其余部位剪力墙布置分散、均匀,且尽量沿周边布置,以增强整体抗扭效果。查阅计算结果,扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比为0.81,各楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与楼层平均值的比值不大于1.4,均满足平面布置及控制扭转的要求。可见工程平面布局规则合理,抗扭效果良好。

　　3.结构设计计算结果

　　本工程采用中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部编制的《高层建筑结构空间有限元分析与设计软件》SATWE(2006.10)进行分析计算。计算时柱脚从-1层起计计算结构层数。计算时地下室顶板作为嵌固端。计算结果如表1所示。

　　表1：2栋1座楼住宅(24层)前六个结构计算周期

　　振型号周期平动系数扭转系数

　　1 2.0417 0.97 0.03

　　2 1.9651 0.99 0.01

　　3 1.6544 0.04 0.96

　　4 0.6295 0.98 0.02

　　5 0.5049 0.99 0.01

　　6 0.4411 0.02 0.98

　　X方向的地震作用最小剪力系数为1.77%，Y方向的地震作用最小剪力系数为1.91%。最大层间位移见2表：

　　表2：2栋1座楼住宅(24层)最大层间位移

　　荷载或作用作用方向层间位移层间位移限值

　　地震作用 X 1/1614 1/1000

　　地震作用 Y 1/1254 1/1000

　　风载 X 1/1492 1/800

　　风载 Y 1/864 1/800

　　转换层位于三层，转换层上下刚度比为：

　　X方向:0.9839Y方向:1.1982

　　结论：2栋1座楼周期、位移均正常。

　　4转换构件

　　4.1框支柱

　　框支柱截面尺寸主要由轴压比控制并满足剪压比要求。为保证框支柱具有足够延性,对其轴压比应严格控制。该工程框支柱抗震等级为一级,轴压比不得大于0.6,对于部分因截面尺寸较大而形成的短柱,不得大于0.5。柱截面延性还与配箍率有密切关系,因而框支柱的配箍率也比一般框架柱大得多。箍筋不得小于φ10@100,全长加密,且配箍率不得小于1.5%。在工程中,个别框支柱还兼作剪力墙端柱,所以还应满足约束边缘构件配箍特征值不小于0.2的要求,折算成配箍率(C55混凝土)即为1.82%。框支柱为非常重要的构件,为增大安全性,对柱端剪力及柱端弯矩均要乘以相应的增大系数,每层框支柱承受剪力之和应取基底剪力的30%。因为程序计算时,一般假定楼板刚度无限大,水平剪力按竖向构件的刚度分配,底部剪力墙刚度远大于框支柱,使得框支柱分配的剪力非常小。然而考虑到实际工程中楼板的变形以及剪力墙出现裂缝后刚度的下降,框支柱剪力会增加,因而对框支柱的剪力增大作了单独规定。另外,为了加强转换层上下连接,框支柱其上部有墙体范围内的纵筋应伸入上部墙体内一层;其余在墙体范围外的纵筋则水平锚入转换层梁板内,满足锚固要求。抗震设计时,规范规定了剪力墙底部加强部位包括底部塑性铰范围及其上部的一定范围,其目的是在此范围内采取增加边缘构件箍筋和墙体纵横向钢筋等抗震加强措施,避免脆性的剪切破坏,改善整个结构的抗震性能。

　　4.2框支梁

　　框支梁截面尺寸一般由剪压比控制,宽度不小于其墙上厚度的2倍,且不小于400mm;高度不小于计算跨度的1/6。工程框支梁宽度为500~1000mm。框支梁受力巨大且受力情况复杂,它不但是上下层荷载的传输枢纽,也是保证框支剪力墙抗震性能的关键部位,是一个复杂而重要的受力构件，因而在设计时应留有较多的安全储备。一级抗震等级的框支梁纵筋配筋率不得小于0.5%。框支梁一般为偏心受拉构件,梁中有轴力存在,因此应配置足够数量的腰筋,腰筋采用φ18,沿梁高间距不大于200mm,并且应可靠锚入支座内。框支梁受剪力很大,而且对于这样的抗震重要部位,更应强调“强剪弱弯”原则,在纵筋已有一定富余的情况下,箍筋更应加强,譬如某根700宽框支梁箍筋采用φ16@100六肢箍全长加密,配箍率达到1.18%。

　　4.3转换层楼板

　　框支剪力墙结构以转换层为分界,上下两部分的内力分布规律是不同的。在上部楼层,外荷载产生的水平力大体上按各片剪力墙的等效刚度比例分配;而在下部楼层,由于框支柱与落地剪力墙间的刚度差异,水平剪力主要集中在落地剪力墙上,即在转换层处荷载分配产生突变。由于转换层楼板承担着完成上下部分剪力重分配的任务,且转换层楼板自身必须有足够的刚度保证，故转换层楼板采用C40混凝土,厚度200mm，φ12@150钢筋双层双向整板拉通,配筋率达到0•41%。另外,为了协助转换层楼板完成剪力重分配,将该层以上及以下各一层楼板也适当加强,均取厚度150mm。

　　5.几点设计体会

　　(1)概念设计是复杂体系高层建筑结构设计的关键。在结构方案设计阶段,应对结构体系的特点有清醒的认识,有针对性的对结构薄弱层、薄弱部位及由于建筑设计方案可能带来的抗风抗震设计缺陷有宏观的把握。然后借助于工程设计软件进行正确建模,多方案对比试算,最后制定完善的结构方案。

　　(2)框支剪力墙结构是抗震不利的结构体系。设计重点应放在转换层。当转换层位置较高时应设法加强底部框支层的等效侧向刚度,防止底部位移突变。

　　(3)对于主-裙楼形式的框支剪力墙结构,由于结构平面和竖向刚度分布不均匀,结构扭转效应不容忽视。外伸裙楼远离平面质心的角部宜布置L型抗扭剪力墙。主-裙楼连接处受力复杂,会产生应力集中,也宜布置剪力墙进行加强。

　　(4)转换梁的受力状态与上部墙体分布形式及梁支座约束情况有关。当转换梁与上部剪力墙共同工作支座约束较强时,转换梁为偏心受拉构件,对于梁抬柱或抬小墙肢情况,转换梁可能为偏心受压构件。

　　参考文献：

　　[1]《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002.

　　[2]《建筑抗震设计规范》GB50011-2001(2008年版).

　　[3]《混凝土结构设计规范》GB50010-2002.

　　[4]赵西安.现代高层建筑结构设计[M].北京:科学出版社,2000.

　　[5]谢淮宁.结构优化设计在工程实践中的应用[J].山西建筑,2006