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【摘 要】合理的搞好框架剪力墙结构的设计，将直接影响到建筑物的安全使用与技术经济指标的高低。文章结合实际案例，详细阐述了高层建筑框架剪力墙结构设计时的设计要点，指出在框架剪力墙构造设计时应注意的事项，旨在为类似的工程结构设计提供依据。
【关键词】高层住宅；剪力墙结构；结构设计；PKPM程序；设计方案
1 引言
随着经济和科学技术的不断进步，我国建筑业的发展变得非常迅速，高层建筑的设计也得到了普及。剪力墙结构因其抗侧移刚度大，空间利用率高，在快速发展的高层住宅建筑中得到广泛的应用。剪力墙的结构设计在建筑中是一项非常重要的工作，结构设计的好坏直接影响到建筑的质量。近年来，随着人们安全意识的增强，对高层住宅结构的结构设计要求也越来越高了。因此，加强高层建筑框架剪力墙结构设计应用的研究是十分必要的。文章结合某高层住宅剪力墙结构，重点就现代高层住宅框架剪力墙结构的一些设计问题进行了分析。
2、结构计算分析软件的选择
选择合适的计算分析软件对结构设计至关重要。PKPM程序拥有的空间计算程序有三个，TAT、SATWE、PMSAP。其中，TAT程序是采用薄壁杆件原理的空间分析软件；SATWE程序基于壳元理论的空间有限元分析软件；PMSAP程序核心是通用有限元程序。
TAT程序进行空间分析计算时，柱、梁等杆件按照空间杆系单元计算；将剪力墙按薄壁柱处理，即在薄壁柱的单元刚度矩阵中多了一个截面翘曲自由度θ’（扭转角沿纵轴的导数），相应的力矩多了双力矩。故在用TAT程序计算框剪结构、剪力墙结构等含钢筋混凝土剪力墙的结构，要对剪力墙的洞口、节点做合理的简化，有点让实际工程来适应计算程序的味道。
SATWE程序在四节点等参壳元的基础上，釆用静力凝聚原理构造了一种超单元一通用墙元模型。
SATWE的墙元为平面应力膜单元与抗弯板单元叠加凝聚而成。平面应力膜单元釆用的是广义协调条件构造的具有旋转自由度的四边形膜元，板采用的是基于离散Kirchh0fif理论的四节点等参单元。墙元的每个节点有空间的全部6个自由度，其中三个为膜自由度（u，v，θZ），三个为板弯曲自由度（W，θX，θy）。与柱、梁等空间构件自然变形协调，可以很好地模拟剪力墙与柱、梁等构件之间连接的特性。对于尺寸较大或带洞口的剪力墙，按照子结构的基本思想，由程序自动进行细分，然后用静力凝聚原理将由于墙元的细分而增加的内部自由度消去，从而保证墙元的精度和有限的出口自由度。故SATWE程序釆用通用墙元模型模拟剪力墙，不仅体现墙所在的平面内刚度，也具有平面外刚度，面向相对规则的工程，可以较好的模拟工程中剪力墙的实际受力状态。
PMSAP程序采用了通用有限元软件技术，在分析上具备通用性，可以适用于任意的结构形式、各种复杂结构的分析和设计，如超高层、体育场馆、空间结构等。
PMSAP与SATWE的区别在于墙和楼板的单元模型、单元函数和处理方式不同：
1）PMSAP基于广义协调理论的子结构墙元和子结构楼板元，与SATWE基于经典协调模式的墙元和楼板元有本质区别；
2）PMSAP对剪力墙采用精度高、适应性强的壳元模式，PMSAP墙元四周的不协调点通过罚单元强制协调关系。
3）SATWE严格执行刚性楼板假定，PMSAP刚性楼板采用5个参数的线性展开表达式，比SATWE略柔一点；
4）PMSAP弹性楼板的单元函数和单元划分不同，PMSAP房间之间可能存在不协调点。
5）PMSAP除了配置与SATWE相同的VSS求解器外，还配置了可以求解500万自由度量级的大型结构求解器，提供非比例阻尼系统CCQC求解器、BUCKLING分析、隔震支座和减震阻尼器的分析等独有的用于复杂结构深化设计的方法。
综上，PMSAP与SATWE是相互独立的两个有限元结构设计软件，在代码实现上两个软件完全独立。PMSAP与SATWE符合抗规、高规的“不同力学模型”的不同计算机程序。PMSAP作为SATWE的第二套设计软件的优势是：1）可以共享结构模型，减少二次建模的工作量，同时避免了二次建模带来的模型误差；2）可以共享设计参数，PMSAP可以直接读入在SATWE程序中补充定义的设计参数、特殊构件信息。
3、高层剪力墙结构设计
3.1 工程概况
某高层民用住宅楼工程，总建筑面积5407.07m2，主体结构地上15层、建筑面积5059.15m2，首层层高为2.8m，其余层高为2.9m；地下1层、层高为3.6m，建筑面积347.92m2，顶层局部楼（电）梯间突出屋面，建筑高度44.20m。一梯四户设计，楼内布置两部电梯。结构设计使用年限50年。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第二组，场地类别为III类，特征周期为0.55s。抗震设防类别为丙类。地面粗糖度类别B类，基本风压0.50kN/m2，基本雪压0.40kN/m2。该住宅属B级高度高层建筑。主体结构耐久等级为一级；建筑物安全等级为二级。耐火等级为地上二级地下一级，防水等级为I级。
图1 整楼模型图
3.2 结构初步设计
本工程采用现浇剪力墙结构，剪力墙抗震等级为三级。
1.主体结构布置
本工程除了楼梯、电梯间局部楼面外无大的缺失，立面无大的变化，整体属于较规则结构。按照简单、规则、对称、均匀的原则布置剪力墙；剪力墙竖向连续分布，避免结构刚度突变；标准层结构平面布置图如图2所示。
图2 标准层结构布置图
如图2所示，结合窗间墙位置及房间四角等建筑平面，布置呈“一”字形、“L＂形、＂T＂形或＂十＂字形墙段（墙肢截面），沿结构平面均匀布置，尽量做到对齐、拉直，使结构的刚心和质心结合，减少其扭转。剪力墙布置应与楼板跨度相结合，尽量发挥大跨度厚楼板的刚度作用。同时，为避免个别楼板跨度过大，同时尽量形成形状规则的楼板以利于导荷，还布置了一些了楼面梁。为减少地震作用及墙配筋率，每个独立墙段的高度与墙段长度之比不宜小于3（避免出现短肢剪力墙），墙段之间宜采用弱连梁连接。每个墙段宜设计成有连梁连接的双肢墙或多肢墙，以保证连梁的耗能作用。在较长剪力墙（墙肢长度超过8m）上适当开较大结构洞（洞宽22400mm）的措施；因为墙肢过长不仅会使结构刚度加大增大地震力的作用，此外当墙段长度很长时，受弯后产生的裂缝宽度会较大，墙体的配筋容易拉断，因此墙段的长度不宜过大。
2.结构主要构件尺寸
剪力墙厚度：地下室外墙250mm、内墙200mm；其余内、外墙均为180mm；楼板厚度均为180mm。
一、二级剪力墙的洞口连梁，跨髙比不宜大于5，且梁截面髙度不宜小于400mm。
3.主要构件材料
混凝土强度等级：剪力墙、梁、板、楼梯均为C30。钢筋级别：楼板、连梁、暗柱纵向钢筋、加强区暗柱箍筋、较高的连梁箍筋采用HRB400；楼板分布构造钢筋、连梁箍筋、非加强区暗柱箍筋、其它构造钢筋采用HPB300。
3.3 反应谱分析
由前所述，本工程釆用SATWE、PMSAP两种不同力学模型进行整体结构多遇地震弹性分析，并对比分析，如表1所示。
表1 结构自振特性与抗震计算主要性能指标
由表1可见，SATWE与PMSAP两个程序对于结构自振特性与抗震计算主要性能指标计算结果基本相同，结构设计整体指标满足规范各项要求。
3.4 结构弹性时程分析
将整体结构的弹性时程计算结果与振型分解反应谱CQC法计算结果作比较，可保证结构分析的全面性，从而确保结构受力安全可靠。计算选用中国建筑科学研究院提供的强震加速度记录作为动力时程分析的地震波输入，包括程序所提供的III类场地设计特征周期值0.55S的一组人工波RH4TG05和两组天然波TH1TG055、TH3TG055进行结构分析。计算时采用双向水平地震输入，主次方向地震波峰值比为1：0.85，地震波有效峰值加速度为55gal，持续时间40s（超过结构第一周期的5～10倍），时间间隔0.02s。在所选地震波作用下，SATWE与PMSAP两个程序时程分析计算得到的最大层间位移角、最大楼层位移、最大基底剪力分别见表2。
表2 时程反应分析计算结果
由表可知：
（1）SATWE与PMSAP两个程序的最大层间位移角、最大楼层位移、最大基底剪力较为吻合。
（2）弹性时程地震作用下，该体系最大层间位移角为1/1167，满足小震不坏的要求。
表3 楼层剪力结果比较
由表3可知：弹性时程计算结果与振型分解反应谱法计算结果基本一致；三条地震波计算下，结构底部剪力均大于振型分解反应谱CQC法计算所得底部剪力计算结果的65%，底部剪力平均值大于振型分解反应谱法CQC法计算结果的80%，满足规范要求。经过多遇地震下结构弹性动力时程分析的补充计算，可知本工程采用振型分解反应谱法（CQC法）所得出的计算结果进行设计是合理的，且是满足国家相关规范要求的。
从图3中可以看出，CQC法的层间剪力曲线在结构中、下大部分范围均明显大于三条地震波对应的平均层间剪力曲线，但在顶部时程分析结果略大，说明在釆用CQC法进行结构设计时，宜考虑髙振型对结构顶部带来的不利影响。
图3 楼层剪力图
4、小结
总之，高层剪力墙结构设计的改善，可以有效提高剪力墙结构住宅的优越性能，增强高层结构的整体质量。因此，结构设计和技术人员应综合考虑经济效益和社会效益，运用现代科技技术，加强结构概念设计，做好结构的布置、加强结构的分析，寻求合理的结构方案，从而达到结构设计计算分析方法选择的科学性和合理性的目的。本文作者结合多年来的工作经验，对高层建筑框架剪力墙结构设计应用进行了研究，具有参考意义。
参考文献：
[1]邓珊.高层住宅中剪力墙结构设计探讨[J].中华民居旬刊.2012（01）
[2]王旭.高层建筑框架剪力墙结构设计中常见问题探讨[J].建筑工程技术与设计.2014（13）
[3]付沛.浅析高层建筑框架剪力墙结构设计[J].建筑知识：学术刊.2013
论文作者:陈鹏
论文发表刊物:《低碳地产》2016年9期
论文发表时间:2016/9/8
标签：结构论文; 剪力墙论文; 楼板论文; 结构设计论文; 程序论文; 剪力论文; 自由度论文; 《低碳地产》2016年9期论文;