摘要：本文结合多年设计工作经验，以实际工程为例，系统地介绍了框支剪力墙结构的结构选型、计算分析、参数选取以及相应的抗震构造措施，同时简要论述了型钢混凝土在工程中的应用，以供类似工程的设计参考。
关键词：现代高层建筑；框支剪力墙；梁式转换；结构设计
Abstract: this paper combined with years design work experience, with the actual engineering as an example, introduces a box shear wall structure type selection, the structure of the calculation and analysis, and parameters selection and the corresponding seismic structural measures, and briefly discusses the steel reinforced concrete in the application for the design of the similar projects for reference.
Keywords: modern high-rise building; A box shear wall; Beam type conversion; Structure design
中图分类号：TU398+.2 文献标识码：A 文章编号：
前言
近年来,由于建筑设计和使用功能等的要求,导致很多在抗震设防区的住宅建筑在其中部附近开设了过洞或过人洞。这使得一些抗震墙无法落地,而仅靠剪力墙,结构总体刚度不够,必须要设置转换构件,通过转换构件将上部构件的内力传递到基础和地基。也常有一部分住宅建筑由于车位、底部景观架空通透、上部房间布局等因素, 造成了少量抗震墙无法落地。它们有一个共同的特点,就是转换层上的不落地抗震墙占该层总抗震墙的比例很小。由于转换层上下侧移刚度基本相同,这使得它们的一些特性更加接近抗震墙结构, 我们把这种介于抗震规范所讲的抗震墙结构和部分框支抗震墙结构之间的结构形式称为局部框支抗震墙结构。
一、工程抗震结构概况
建筑抗震设防类别为丙类，建筑结构安全等级为二级，所在地区的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度0.15g，设计地震分组：第一组；场地类别：II类；特征周期Tg=0.35sec，建筑类别调整后用于结构抗震验算的烈度 7 度； 按建筑类别及场地调整后用于确定抗震等级的烈度7度；建筑结构的阻尼比取5%，弹性时程分析所取的地面运动最大加速度为55cm／s2；100年一遇的基本风压：0.95kN／m2，地面粗糙度：C类。上部结构体系为剪力墙结构，由于上部的墙体与底层店面布置冲突，为了提高店面的使用率，优化架空绿化层的使用效果，部分剪力墙不落地，形成部分框支剪力墙结构。
二、结构选型
本工程高宽比较大，最大高宽比7.5，超过规范高宽比不大于6的建议值， 造成上部墙体较密。如果上部墙体全部落地，势必对底层店面的布置造成较大的影响，因此部分剪力墙无法落地，为满足上述要求，必须采用带转换层的建筑结构。常见的转换结构有梁式转换、箱式转换、厚板转换、桁架式转换层，各种转换型式优缺点比较详表1：
表 1 不同转换层型式优缺点比较表
转换梁的约束强，刚度大，整体工作效果好，上下部传力较为均匀，并且建筑功能上还可将其作为“设备层”
下部柱网受上部结构布局影响 较小，可灵活布置。厚板刚度很大，形成一个承台，整体性较好，而且施工也较为便捷
框支柱柱顶弯矩和剪力比其他
几种转换型式相对较小 当上下轴线错位布置时，需增设较多的转换次梁，空间受力较为复杂
转换梁梁中开设备洞较多，施工复杂，且造价较高
厚板自重很大，地震作用也大，容易产生震害。并且材料耗用多，经济性也较差
施工复杂程度较高，且对于轴线错位布置时难度较大
结合工程实际建筑布局情况，并考虑经济指标及施工难易程度，经过技术经济比较，决定采用梁式转换层结构型式，也可称为梁式框支剪力墙结构。
同时为提高店面的层高，转换梁的高度受到限制，最大梁高不大于1200mm， 普通的混凝土梁、柱无法满足要求，故框支梁、框支柱采用型钢混凝土，本文以4号楼为例，重点阐述框支剪力墙结构的设计方法。转换层(2层)结构平面图和标准层结构平面图如图1，图2。
图 1 转换层结构平面布置图
图 2 标准层结构平面布置图
三、结构分析的主要结果汇总及分析比较
3．1 结构计算模型及程序
根据《高层建筑混凝土结构技术规程》5.1.13条，对带转换层的高层建筑结构应采用至少两个不同力学模型的三维空间分析软件进行整体内力位移计算， 本工程结构整体分析采用的软件：
( 1 ) PKPM―SATWE系列；
( 2 ) PKPM―PMSAP系列；
3．2 主要计算结果及比较与分析
1、程序使用的注意事项
1) 在程序的前处理输入“结构体系”中选取“复杂高层”体系，则指明为底部带转换层高层建筑结构，同时定义转换梁所在楼层为“转换层” 。
2) 程序平面输入时应注意人工指定框支柱、框支梁。在平面输入时应正确指定转换构件，确保程序计算时能按相关规范规定，对转换构件在水平地震作用下的计算内力进行放大，对框支柱的水平地震剪力进行调整等。
3 ) 定义转换层及上下各一层楼板为“弹性膜” 。由于托墙梁上部剪力墙的墙拱作用，会使下部托墙梁产生轴向拉力，如果楼板为刚性楼板假定，梁的轴力将被忽略。
4 ) 6高层规程910.2.7条规定了带转换层的高层结构，当每层框支柱的数目少于或多于10根时，框支柱承受的地震剪力应相应调整。因此程序前处理应对框支柱进行0.2Q调整。
2、结构分析的主要结果
1) 地震及风荷载作用下计算结果如表2所示：
表2 4号楼结构分析主要结果对比表
注：表中[ ]内数值为扣除整体弯曲变形后的层间位移角
SATWE和PMSAP的振型反应谱计算水平地震作用，结果基本吻合，指标基本满足规范要求。最大层问位移角超过1／l000的要求，但经扣除整体弯曲变形转角产生的侧移，楼层层间位移角均为1／l000以上，可以满足规范要求。
2)采用弹性时程分析进行多遇地震下的补充计算，结果显示 (详图3，图4)：
图3X向楼层剪力包络图 图 4Y 向楼层剪力包络图
①每条时程曲线计算所得的结构底部剪力大于振型分解反应谱法的结果的 65%；
②多条时程曲线计算所得的结构底部剪力平均值大于振型分解反应谱法结果的80%；
③结构地震作用效应振型反应谱法计算的结果大于多条时程曲线计算结果的平均值。
3) 转换层上下楼层结构侧向刚度 比计算。设计中控制转换层上下结构的侧 向刚度比宜接近1，不大于2。按《高层规程》附录E方法计算的转换层上下结构等效剪切刚度比为 x=O.6， y=0.7；满足规范要求。
4) 框支剪力墙有限元分析。运用框支剪力墙有限元分析程序FEQ对框支梁，框支柱及相邻墙体进行有限元分析，结果见图5。
从图5可见，框支梁偏心受拉特性明显，截面大部分应力为拉应力，框支梁跨中截面顶部区域虽然处于压应力状态，但数值不大。框支梁、框支柱配筋取整体计算和FEQ计算二者包络。
图 5 转换粱等应力图
四、抗震措施
4．1 框支柱设计
本工程框支柱抗震等级为二级，轴压比限值为0.7。框支柱主要截面取800×800，计算结果表明，所有框支柱的受力较为均匀，轴压比从0.59～0.6 3，因而，框支柱的变形一致性较好。框支柱的剪力设计值乘以放大系数 1.1，剪压比控制在0.2以内。柱内全部纵向钢筋的配筋率不小于1.0%，箍筋沿柱全高采用不小于 12@100井字复合箍，体积配箍率均不小于1.5%，使柱具有一定的延性， 实现强剪弱弯。框支柱在上部墙体范围内的纵向钢筋伸入上部墙体内一层，其余柱筋锚入转换层梁或板内锚固长度要求≥LaE。
4．2 剪力墙设计
尽可能多的剪力墙落地，必要时甚至可在底部增设部分剪力墙(不伸上去)。除核心简部分剪力墙在底部必须设置外，还与建筑专业协商后，侧面和南面剪力墙尽量落地，增强了底部刚度。为改善混凝土的受压性能，增大延性，设计中控制墙肢的轴压比不大于0.6。落地剪力墙底部弯矩乘1.25放大系数，加大落地剪力墙的配筋率，墙体的水平和竖向分布筋除满足计算要求外，同时也满足0.3 的最小配筋率的限值。底部加强区的剪力墙中按规范要求设置约束边缘构件，约束边缘构件的纵筋配筋率控制≥1.0%，箍筋采用HRB400热轧钢筋，体积配箍率控制≥1.1%，经上述构造处理，确保了剪力墙的塑性铰出现在转换层以上。
4．3 框支梁的设计
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，二级抗震等级的框支梁纵筋配筋率不得小于0.40%。框支梁一般为偏心受拉构件，梁中有轴力存在，因而应配置足够数量的腰筋。腰筋采用 1 6，沿梁高间距不大于200mm，并且应可靠锚人支座内。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，在纵筋已有一定富余 的情况下，箍筋更应加强。箍筋不小于 12@100四肢箍全长加密，配箍率0.75，满足高规框支梁面积含箍率不小于1.1 ft／fyv的要求。
4．4 转换层楼板的设计
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自身平面内受力很大，而变形也很大，所以转换层楼板必须有足够的刚度作保证。转换层楼板采用C35混凝土，厚度180 mm。 10@150钢筋双层双向整板拉通，配筋率0.29%。另外，为了协助转换层楼板完成剪力重分配，将转换层上层楼板也适当加强，取厚度150mm。
五、型钢混凝土应用
5．1 型钢混凝土的优点
型钢混凝土结构是指以型钢为骨架，外围包以钢筋混凝土，所形成的组合结构。型钢混凝土具有以下显著优点：
1、有效减少构件断面尺寸。本工程采用普通混凝土，框支梁断面为800×1800mm，框支柱断面为1200×1200mm；采用型钢混凝土，转换梁断面可减少为600×1200mm，框支柱断面可减少为800×800，由此型钢混凝土的应用，极大的提高了底层净高，节约了店面的空间，较好的满足的底层店面布置要求。
2、有效提高了构件的承载力。型钢的材料强度远大于混凝土，在钢筋混凝土中增加了型钢，可大幅提高构件的受压、受剪和压弯承载力。
3、较大地改善了构件在地震作用下的延性和耗能能力，满足了“小震不坏，大震不倒”的设计准则。1995年日本阪神地震，钢筋混凝土结构破坏率较高、 破坏程度严重；形成鲜明对比的是，采用型钢混凝土结构的建筑，破坏轻微。
5．2 节点设计
型钢混凝土节点是结构的重要部位，它承受并传递梁、柱内力，节点承载力验算可参《型钢混凝土组合结构技术规程》相关规定执行，构造上节点连接应采用刚性连接。本工程框支梁、柱型钢混凝土典型节点大样如图 6：
图6 型钢梁、柱节点大样示意图
六、结束语
对于复杂高层建筑结构体系,必须认真做好概念设计并分析结构的薄弱环节,建立较为简洁可靠且符合实际的结构计算模型,注意框支梁框支柱配筋的特殊性,另外数据的输出量比较大,需要对计算结构进行分析、评判,适时地对结构布置进行修改、优化,才能得到正确的设计结果。
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