2011年12月《城市建设》上 业务员：刘瑞洁 杨建 合同号：YY1002265摘 要: 本文具体介绍高层商住楼框支剪力墙结构的设计，包括结构概念设计、结构选型、抗震等级确定、结构布置、结构
4006-054-001 立即咨询发布时间：2022-10-05 10:07 热度：
2011年12月《城市建设》上 业务员：刘瑞洁 杨建 合同号：YY1002265摘 要: 本文具体介绍高层商住楼框支剪力墙结构的设计，包括结构概念设计、结构选型、抗震等级确定、结构布置、结构三维整体分析和转换构件的构造要求等。梁式转换层是目前高层建筑中实现垂直转换最常用的结构形式，其传力途径采用墙→转换梁→柱(墙)的形式，有传力直接、明确，受力性能好、工作可靠、构造简单、施工方便等优点。
关键词: 结构方案;梁式转换;概念设计;转换构件
1 工程概况
本高层商住楼，由商业裙楼及1 幢高层塔楼组成，该工程地下2 层，地上30 层，其中地下室-1层层高6.0m，布置设备用房及公共机动车泊位，地下室-2层层高3.9m战时为六级人防。地上1～3 层为商业用房，层高分别为5.1m、4.8m、3.7m，按建筑要求第4 层为转换层，层高3.3m，4 层以上为剪墙结构住宅。住宅层高均为3.0m 层高。30 层以上为机房，室外地坪以上主体高度为98.2m，建筑总高度(至机房顶)为106.6m。
该工程拟建场地根据地质资料，场地及其附近未有活动断裂带通过，场地地层构造及地形稳定，属抗震有利地段。
2 结构布置
该工程重点解决两个方面的问题。第一，为保证结构沿竖向刚度均匀变化，应设法争取尽可能多的上下贯通构件。结合电梯井道、消防楼梯间及电梯厅，布置了一个中央核心筒，并根据塔楼周边剪力墙分布情况，除在底部裙楼对应部位设置了落地贯通加厚剪力墙外，另在底部增设部分仅伸至转换层的剪力墙以加大底侧向刚度。第二，合理布置裙楼柱网，使不落地剪力墙直接通过转换层托梁。
3 梁式转换层的结构设计要点
3.1 抗震等级的确定
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，因而应该严格按照现行规范的不同章节，针对结构体系各部位不同结构构件分别采用不同的抗震等级。该工程属带转换层高层建筑结构，底部为框支剪力墙，高度98.2m，抗震设防烈度为6 度，框支框架抗震等级为二级，剪力墙底部加强部位抗震等级为二级，非底部加强部位剪力墙抗震等级为三级;由于工程转换层设在建筑4 层楼面，属于高位转换，该工程框支柱应定为一级，剪力墙底部加强部位定为一级。
3.2 结构竖向布置
高层建筑的竖向体型宜规则、均匀，结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化，应避免刚度突变。然而带转换层的结构显然违背以上设计原则，因此在设计过程中，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，必要时可以在底部增设部分剪力墙。这是增大底部刚度最有效的方法。
(2)加大底部剪力墙厚度，减小上部剪力墙厚度，本工程转换层以下剪力墙厚度为350mm厚，转换层以上厚度为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)提高底部墙、柱混凝土强度等级，本工程底部墙、柱采用C55 混凝土。
3.3 结构平面布局
工程底部为框架- 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，剪力墙的布置须经多次试算，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，其余剪力墙布置分散、均匀;且尽量沿周边布置，以增强抗扭效果，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0.71，各层最大水平位移与层间位移比值不大于1.4，均满足平面布置及控制扭转的要求。
4 结构计算和分析
结构整体分析采用SATWE 软件并用PMSAP 软件进行复核。SATWE 采用三维壳元有限元模型，PMSAP 采用墙元及杆元模型，结构自振周期计算结构如下:
SATWE 结果:
考虑扭转耦联时的振动周期(秒)、X,Y 方向的平动系数、扭转系数(表2)。
PMSAP 结果:
周期及振型方向(表1),SATWE 和PMSAP 的计算结果均在现行规范及工程经验合理值范围内，说明结构总体布置比较合理。
周期1 及振型方向角 2.6070.53X
周期2 及振型方向角2.30190.65Y
周期3 及振型方向角1.8215.63TORSION
表1周期及振型方向
振型号 周期转角平动系数(X+Y)扭转系数
12.96690.211.00(1.00+0.00)0.00
22.806890.231.00(0.00+1.00)0.00
32.10654.740.01(0.00+0.01)0.99
表2 平动系数、扭转系数
另外，还对受力比较复杂的部位如转换梁进行应力分析，并按应力进行配筋设计校核。应力分析采用高精度平面有限元软件FEQ 进行，分析时应注意以下几点：
(1)只能分析主梁承托的框支榀;
(2)在截取计算榀时最好全轴线截取，以减少整体分析时的误差;
(3)在截取层数时，一般取框支层以上3 层;
(4)转换层结构的整体分析，应选用墙元、壳元模型(SATWE)，这样FEQ在传递荷载时更准确;
(5)FEQ 主要计算框支托梁配筋、剪力墙加强部位的配筋，其他部位、构件的配筋应参考整体分析的结果。
5 转换构件
5.1 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。一级框支柱在满足计算要求下，柱全部纵向钢筋配筋率不得小于1.1%。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，部分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。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%。
5.2 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600～800mm。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，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Φ16，沿梁高间距不大于200mm，并且应可靠锚入支座内，支座上部纵筋至少应有50%沿梁全长贯通。框支梁受剪很大，而且对于这样的抗震重要部位，更应强调“强剪弱弯”原则，在箍筋在满足计算要求的情况下，箍筋应适当加强。
5.3 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。转换层楼板承担着完成上下部分剪力重分配的任务; 并且由于转换层楼板必须有足够的刚度保证。转换层楼板采用C55 的混凝土，厚度180mm。HRB400级钢，Φ10@150 钢筋双层双向整板拉通，配筋率达到0.34%。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120mm。
6 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加强底部框支层的等效刚度，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，梁为偏心受拉构件;对于梁抬柱或抬小墙肢情况，转换梁可以为全跨偏心受压。
