1、浅析高层框剪结构设计优化措施【摘要】剪力墙结构既可以保证结构安全可靠性，又可以使室内空间合理、墙面平整，所以高层建筑结构中越来越多地采用剪力墙结构。但在实际设计工作中，出现一些难点，就电梯井楼梯间等集中设置剪力墙的区域位置和扭转不规则；建筑外形美观；结构位移控制；剪力墙布置不均匀；连梁集中过大应力等情况加以分析探讨，通过实例的精确计算，调整设计思路设计方案，解决这些设计难题。 【关键词】建筑结构；设计计算；设计 1 工程概况 本工程为地上 14 层地下一层建筑。建筑屋面结构高度 46.3m，底层层高为 4.5m，标准层 3m。地上地下总建筑面积 1.8 万。标准层活载展厅功能取为 3.5kN/
2、，办公楼取值 2.0kN/，机房取 7.0kN/。考虑隔墙自由布置特点，活载增加每延米墙重/3 的数值。考虑大空间及结构高度的需要，结构抗力体系为框剪结构。因甲方建筑外观的要求，建筑北侧及东侧墙面因安装玻璃幕墙及建筑效果缘故，不允许设置剪力墙，只能在西部南部及楼梯间布置剪力墙以控制位移。但楼电梯间布置也较偏，这样造成了结构质心和刚心不重合，造成了扭转不规则。但从平面规则性和竖向布置规则性角度看，结构均属于较为规则，无开大洞大凹进也并无明显竖向刚度突变。 主要设计条件计算参数如下：结构安全等级为丙类，抗震设防烈度为 7 度，地震加速度为 0.10g。场地类别为 IV 类，场地土无液化，特征周期按
3、上海规范取 0.9S，风荷载基本风压 0.55kN/，地面粗糙度为 B类。初步计算下，剪力墙承担抗倾覆力矩均在 50%以上，因此按框架剪力墙类型来决定抗震等级。因此，根据建筑抗震设计规范6.1.2 及6.1.3.1 条，决定框架抗震等级为三级，剪力墙为二级。结构计算采用PKPM-SATWE 软件进行。框架剪力墙结构按高规考虑 0.2 调整系数。顶部塔楼地震力放大系数取 2.0。 2 设计计算分析 根据工程概况及现行规范，该工程的设计计算要点主要如下。 2.1 位移控制：根据抗震规范，弹性位移角应控制在 1/800 以内。另根据地方抗震规范，首层弹性位移角应控制在 1/2000 以内。 2.2
4、结构规则性要求：最大层间位移与平均层间位移比不得超过1.5，宜控制在 1.2 范围内，第一扭转周期与第一平动周期比值应小于0.85。并不出现竖向刚度突变，剪力墙上开洞宜对齐。因属于扭转不规则结构，应考虑双向地震下扭转效应。 2.3 刚度比要求：地下室刚度大于首层刚度 2 倍，应采用剪切刚度计算方法计算，且地下室范围为主体结构 45 放脚投影线确定。 2.4 消除连梁抗剪不满足及超筋现象：剪力墙连梁虽然在计算中考虑使其首先产生塑性铰，并计算内力重分布。但实际模型计算中，连梁起到的作用是将每层分配到的地震力传递给墙肢，时常出现抗剪不够的情况。调整主要是考虑整体规则性的情况下，加强连梁抗剪能力。 2
5、.5 初步计算分析：考虑以上计算要点，整体考虑下，本工程 Y 向剪力墙布置在 X 方向上布置尽量做到均匀，使结构重心与剪力墙刚心基本重合。而 X 向剪力墙，由于建筑布置的缘故，剪力墙集中于南面，两心有一定偏差，将造成一定扭转。经过计算，基本结果如下：X 向位移角1/945，Y 向 1/812，已满足。且首层位移角控制在 1/2 100，也满足上海地方抗震规范要求。因地下室人防墙体较多，1 层与地下室刚度比在剪切刚度计算方法下控制在 32%左右，已满足 2010 年抗震规范要求。X 方向地震作用下，最大层间位移与平均层间位移比值最大为 1.26，Y 方向地震力作用下，最大层间位移与平均层间位移比
6、值在 1.23。虽然属于扭转不规则，但并未超越 1.5 倍的限值。在 8、9 层的边跨剪力墙连梁处，出现了连梁抗剪不满足。出现于 2 轴边跨截面为 350500，抗剪截面不满足主要出现在 810 层。最大剪力为 631kN，而抗剪能力0.25fcBho=545kN，不满足。 3 优化设计分析过程 3.1 第一次优化设计 将该处两根连梁放大至 350800，抗剪计算得到了满足，但是出现新的问题，Y 向位移角扩大至 1/769，最大位移节点出现在东南侧角部（见图 1） ，不能满足规范的要求。同时，扭转效应也迅速增大，最大层间位移与平均层间位移比值扩大至 1.44，显然向更不利方向发展。2 层底部加
7、强区，电梯间处，出现墙暗柱超筋。同时在南部楼梯间连梁也出现抗剪不足。这一现象证实了引言中所述，框架剪力墙结构各项计算结果数据往往密切相关，不可能只进行局部调整就满足整体结构的抗力要求。因此，不得不进行第二次调整。 3.2 第二次优化设计 一般位移不足的调整方法，通常为对最大位移处的进行加强，在本工程中，采用放大角柱处的柱大小和剪力墙厚度方法。将该最大位移节点处柱放大至 800800，墙宽放大到 400（建筑所允许的最大墙宽） 。经过计算，位移虽然有所变小，但是仍旧不在规范允许范围内，位移角1/788，而且，连梁抗剪不满足的问题仍旧存在，最大位移与平均位移的比值还是在高位达到 1.4。由此可见，
8、这样片面的调整方法无法解决整体建模分析计算的问题。 3.3 第三次优化设计 整体观察第一次调整的问题，主要是加强了西侧墙体连梁刚度截面后，导致东侧刚度相对整个结构骤然减少，使得结构规则性降低，使结构受扭效应显著提升，并使得部分墙肢受力不均而造成超筋。而本身在建筑物东部的连梁相对于它们所需承担的应力传递和分配的任务相比，350500 的截面明显不够。因此，第二次调整的方法片面局部加强角柱是不能达到预期效果，必须整体考虑。尽管对框剪结构位移扭转等数值的调整最有效的方法是增大剪力墙长度或截面，但是由于建筑对剪力墙布置有一定限制，而连梁和与墙连接的梁在整体结构力传递中起到的作用也必须被重视。加上第一次
9、调整也主要是放大了连梁，因此，本次调整主要从与剪力墙相连的梁及连梁微调整着手。放弃第二次调整的修改，经与建筑协商，将电梯前室纵向梁放大至 300700，南部楼梯间及厕所处窗洞上连梁放大 3501000。 经过计算，结构明显改善了整体传力协调性，扭转效应指标，最大位移与平均位移比缩小至 1.21.3 之间，消除了 2 层的剪力墙边缘构件超筋及上部几层出现的连梁抗剪不满足。并且，最重要是，由于对东南部分的剪力墙连梁加强，使得结构位移控制重新达到规范允许范围内，最大层间位移角控制在 1/830。已满足规范对框架剪力墙结构各项要求。 4 设计要求规范 （1）本工程放大连梁的调整方法，需要注意规范对连梁有剪跨比不小于 1 的要求，如果在计算中连梁剪跨比过小，应该在实际设计中采用水平缝将梁分为两段。 （2）本工程的调整是在建筑要求严苛情况，不得已而进行的局部微调。如建筑条件允许，可以通过对结构的整体布置优化，达到更完美更规则的调整效果。 5 结语 以上案例反应了框剪结构设计计算中最常遇到的问题，结构出现不规则情况下，结构设计人员需要对结构模型进行多次调整，方可达到规范要求的指标。
