1、试论建筑工程的框支剪力墙结构设计【摘 要】本论文以沈阳某建筑工程为例，通过对其主要构成部分的精确计算和分析，探讨了框支剪力墙结构在实际操作过程中的应用。文章通过一系列论述，明确了本建筑工程项目的设计参数以及布置形式，同时也讨论了在设计施工过程中必须注意的问题和事项，对今后类似建筑工程项目具有很好的借鉴意义。 【关键词】框支剪力墙；结构转换；墙转换层 1 引言 以沈阳市某高层商业住宅的框支剪力墙结构设计为例，从传力途径清楚、构造简单、受力性能良好、施工便捷、造价低廉、结构设计等方面阐述了其优势。 2 工程说明 该建筑工程为高层商品住房，主要由一个塔楼和一个商业裙楼组成，四周空旷无高层建筑物。该工
2、程地下两层，地上 22 层。其中地下室层间距为 5.1m，地下二层作为库房和设备用房，地下一层为机动车停车位。地上 1 至 5 层为商业用房，层高 4.8m，并配备统一的安全消防设施和集中供暖设备。6 层为转换层，层高 5.2m，6 层以上为剪墙结构的商品住宅楼。住宅除了第 22 层层高为 5.1m 外，其余都是 3.0m 层高。总建筑高度为 70.2m。同时，该工程场略微有缓坡，自东北向西南倾斜。考察其地质资料后发现，给地段没有大的地质活动或者断裂带，属于强度抗震地质结构。该工程采用中国建筑科学研究院编制的 2005 版 PKPM- SATWE 程序进行设计计算，地震基本加速度值为 0.05
3、g，设计特征周期值为0.35s，属稳定建筑场地。该工程按地震烈度 6 度设防。基本风压为0.35kN/m2，设计风压值取 0.40kN/m2。 3 工程方案及设计 依据有关单位的建造要求和规格控制，该建筑工程要求每层有 10 户，而且每户户型和面积都不尽相同。因此，施工单位为争取最大限度地利用建筑面积，提高建面效率，经过仔细论证和研究，工程部最后敲定采用大剪力墙结构。当然框支剪力墙结构是一种不利于抗震结构，同时又受力复杂的工程构造，在总体设计时，要遵循这样一个原则：尽量减少转换次数，缩短力与力的传输途径。所以，该建筑工程应当首要解决以下三个方面的难题。第一，应当尽量使用上下贯通的建筑构件，以保
4、证建筑结构沿着竖向刚度的变化均匀性；第二，在设计过程中，地步裙楼对应的位置应当设置一个贯通的 L 型加厚角墙；第三，应当合理设置裙楼之间的柱网，使得剪力墙能够顺利实现通过转换层的托梁构造。 4 关于转换层的结构设计 4.1 确定抗震等级的要求 建筑工程的转换层下部为框支剪力墙机构，而转换层则主要由单纯的剪力墙构造。该建筑是一个比较复杂的高层建筑结构，复合运用了多种结构形式，因此不能通过单一的框架结构来粗略的确定该建筑物的抗震效能和等级。根据各自不同框架和结构构件的抗震等级，综合确定整个建筑物的抗震等级是确定抗震效能的基础。该建筑工程属于框支剪力墙，高度为 58.4m，6 度设防，剪力墙底部加强
5、部分为 2 级，框支剪力框架为 2 级，非地步加强部剪力墙为 3 级。根据高贵的明确规定，复杂高层建筑结构应当按照 “当转换层位置设在三层及三层以上时，其框支柱、剪力底部加强部位的抗震等级尚宜按本规程表 4.8.2 和表 4.8.3 的规定提高一级”的规定设计。而本高层建筑是在 6 层高为转换，因此该工程框架应当定位为 1 级，剪力墙底加强部定位为 1 级。 4.2 竖向结构间的布置 为了避免高层建筑物的刚度突变，它的侧向刚度事宜上小下大。但是有转换层的高层建筑却是显然和此规律不同，因此， 高规专门针对此种情况作了明确的规定。面对该建筑工程，应当强化下部，同时要弱化上部，尽量避免薄弱层的出现，
6、使其上下等效侧向刚度接近 1，不大于1.3。具体来说，可以采用以下几种方法。 方法一：工程部与建筑专业沟通与协商，尽量将更多的剪力墙落地，甚至必要时增设底部剪力墙。此种方法让两侧各有一个剪力墙，加大了落地基础，大大加强了建筑底部的刚度和厚度。 方法二：减少上部剪力墙厚度，增加底部剪力墙的厚度，转换层以下为 400mm，上部厚为 200mm 厚。 方法三：为了有效避免刚度被削弱太多，底部剪力墙可以选择不开洞或者开小洞。 方法四：采用 C55 混凝土，以提高底部柱和建筑强度。 4.3 平面结构的设计 建筑工程底部为框架剪力墙结构，从结构上看体形复杂，而且不规则；鉴于建筑布局的不对称性和复杂性，必须
7、多次测算剪力墙的布置，使得最后结构是质量中心与刚度中心的偏差不能超过 1m，同时要求结构偏心率较小。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 0.75，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。可见工程平面布局规则合理，抗扭效果良好。 5 结构测算和数据分析 整个建筑结构的分析采用了 SATWE 软件，同时运用 PMSAP 软件对其系统复核。SATWE 采用三维壳元有限元模型，PMSAP 采用墙元及杆元模型。经过测算表明其结果符合工程要求规范，数据较为合理，说明
8、其结构设计布局比较合理。同时在测算过程中，还应当对受力较多、较为复杂的结构进行二次系统分析和测算，并严格按照应力进行建筑施工和配筋校核。在进行应力分析和校核时，可以采用高精度平面元件 FEQ。 经过仔细校核，该建筑工程的 FEQ 的框支梁底筋计算结果大部分都小于 SATWE 整体结算的结果，部分箍筋的有限元计算值大于 SATWE 计算结果。 6 转换构件设计 6.1 框支柱 轴压比在框支柱的界面测算中具有重要作用，它控制并满足剪压比的要求。因此，为了能有有效保证框支柱的延展性，应当对轴压比进行严格的设计和控制。该项工程的框支柱能够抗震的等级为 1 级，因此轴压不应当大于 0.6，而部分由于截面
9、尺寸较大而形成的短柱，其值不能大于 0.55。同时，柱截面的延展性与配箍率的关系比较密切，而框支柱的配箍率与一般框架柱相比要大许多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 0.55。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。另外，为了加强转换层上下连接，框支柱上部墙体范围内的纵筋应伸入上部墙体内一层；其余在墙体范围的纵筋则水平锚入转换层梁板内，满足锚固要求。 6.2 框支梁 框支梁截面尺寸一般由剪压比控制，宽度不小
10、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 700 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%。 6.3 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。转换层楼板采用 C40 的混凝土，厚度 200mm。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 15
11、0mm。 7 结语 高层建筑在结构设计中要注重概念的设计。在结构设计阶段，应当对某些结构薄弱层及薄弱部位重点考虑。框支剪力墙结构在高层建筑中的应用广泛，但是其抗震不强是其主要弊端，设计中要着重考察其转换层，并防止较高的转换层底部位置的突变。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。 参考文献： 1徐培福，黄吉锋，韦承基.高层建筑结构的扭转反应控制J.土木工程学报，2006.39（7）：1-8. 2蔡健，潘东辉，黄炎生.高层建筑结构扭转振动效应控制研究J.工程力学，2007，24（7）：116121. 3吴晓云，陈森.魏琏.论地震作用下多层平扭耦联建筑的刚心J.地震工程与工程振动，1988，8（4）：33.
