摘要：随着建筑使用功能多样化的需求，为实现建筑底部大空间使用功能，上部竖向构件无法贯通落地，需通过设置转换构件进行过渡。本文以中山市某住宅小区为例，通过对框支剪力墙结构受力特点的分析研究，阐述了框支剪力墙结构在设计过程的注意事项及采取的抗震构造措施。
关键词：框支剪力墙；侧向刚度；转换；抗震设计
引言：部分框支剪力墙结构是因建筑使用功能的影响，部分剪力墙、框架柱不能直接贯通落地，需通过设置安全可靠的转换构件支撑上部竖向构件，将上部竖向构件的内力传递至下部竖向构件的一种复杂结构。由于部分框支剪力墙结构可以满足建筑竖向功能多样化的要求，被广泛应用于公共建筑和民用建筑。
1、工程概况
本工程位于广东省中山市，建筑占地面积48648m2，总建筑面积188135m2，其中地上面积151327m2，地下车库面积36808m2，由13幢25层高层商住楼组成，首层为商业及架空绿化层，2层及以上为住宅，住宅层高3m，建筑总高度76.550m。建筑抗震设防烈度为7度（0.10g），场地类别为Ⅲ类，地面粗糙度类别为C类，50年一遇基本风压0.65kN/m2。为了减少竖向构件对住宅使用功能的影响，上部采用剪力墙结构，由于剪力墙的布置与首层商业使用功能存在冲突，为了提高商业的使用率，采用部分框支剪力墙结构。
2、结构选型
根据目前的科学研究成果和实践经验，工程中主要采用的转换有：梁式、板式、箱式和桁架式等。梁式转换因受力简单明确且方便施工，常被用于底部大空间的剪力墙结构，当需要纵横向同时转换时可布置两个方向的梁进行转换，是应用最普遍的转换形式，但其构件截面尺寸较大降低了转换层的使用高度。桁架式转换分为斜杆桁架式和空腹桁架式，其受力性能好、经济指标好、结构自重轻、充分利用建筑空间，但其构造和施工复杂。箱形转换利用原有上、下层的楼板和剪力墙经加强组成，充分利用建筑空间，结构受力合理，但其上下层竖向刚度突变，不利于抗震。板式转换底部柱网布置灵活且施工方便，但其自重大，结构受力复杂，厚板刚度大，转换层竖向刚度发生突变，对抗震不利，不适宜在高烈度区使用。结合本工程建筑功能布局情况，考虑经济性、施工难度及当地施工技术，采用梁式转换层结构，即梁式框支剪力墙结构，本文以九号楼为例，阐述部分框支剪力墙结构设计方法。
3、结构计算
3.1 结构设计原则
带转换层结构是一种受力复杂、对抗震不利的竖向不规则结构体系，其在转换层部位传力途径发生改变，结构刚度突变，设计时应遵循以下原则: (1)减少转换：尽可能多的布置连续贯通的竖向构件，尤其是核心筒；(2)传力直接：尽量使转换构件传力直接，避免复杂转换；(3)强化下部、弱化上部：强化转换层下部侧向刚度，弱化转换层上部侧向刚度，使刚度尽可能平滑过渡；(4)优化转换结构：优先选择地震作用下不致于引起框支柱柱顶弯矩、剪力过大的结构形式；(5)准确计算：结构整体计算必需采用两个以上不同力学模型的软件，并进行弹性时程分析计算，必要时采用有限元方法对转换层进行补充计算。
3.2 结构竖向布置
本工程因底部大空间使用需求，上部楼层部分竖向构件无法直接贯通落地，采用梁式进行转换，由框支梁直接承托上部竖向抗侧力构件。工程中经常会碰到受其他条件限制，导致无法设置框支梁直接承托上部竖向构件，需通过框支梁承托次梁，由次梁承托上部竖向构件。此方式多次改变传力路径，受力复杂，框支梁容易出现剪切破坏。设计时应避免通过次梁进行转换，确实无法避免时应对框支梁进行应力分析复核配筋，并采用抗震构造措施保证框支梁的延性。
3.3 转换层上、下刚度控制
转换层上部结构的抗侧刚度一般要大于下部结构的抗侧刚度，当抗侧刚度相差太大发生突变，在水平风荷载和地震作用下，结构构件内力发生突变而形成薄弱层，导致部分构件提前破坏，不利于抗震。因此设计时应该尽量加强下部结构的刚度，减弱上部结构的刚度，使上下部结构的抗侧刚度及变形尽量接近、平滑过渡，避免形成薄弱层。为避免下部结构在震害中出现严重破坏，设计时应结合建筑的使用功能尽可能多布置落地剪力墙并增大转换层下部剪力墙的墙厚，控制好结构的刚度比，确保下部结构具备足够的刚度和抗震性能。
3.4 结构设计要点
部分框支剪力墙结构计算时应注意以下主要参数设置:(1)定义结构体系为框支剪力墙结构；(2)定义转换层所在层号；(3)定义转换层为薄弱层；(4)考虑双向地震作用；(5)提高底部加强区剪力墙抗震等级；(6)定义框支梁为转换梁，提高抗震等级；(7)定义转换层以下柱为转换柱，提高抗震等级；(8)调整与框支柱、框支梁的内力；(9)定义转换层楼板为弹性膜进行内力与配筋计算。
3.5 整体计算结果分析
本工程运用两个不同力学模型计算程序SATWE和PMSAP对结构进行整体内力计算，其主要参数如表1所示。由表1计算结果可知，两个计算模型的周期、位移、刚度、内力等都十分接近，各项参数均满足《高层建筑混凝土结构技术规程》等国家规范要求，分析结果可作为设计依据。
4、主要构件设计
4.1框支梁设计
框支梁是保证整个框支剪力墙结构的关键部位，其承受荷载大且受力复杂，设计时应按偏心受拉构件进行设计，提高抗震等级，在满足转换梁刚度和强度的前提下，可适当减小高度加大宽度，减小刚度，实现转换梁的强剪弱弯，保证其抗剪承载力，提高整体结构的延性，同时还增加转换层层高。上部墙柱应尽量与框支梁中线重合，当有偏心布置时，可设置横向梁降低框支梁的扭转，同时应加强框支梁抗扭和相连梁板抗弯。采用有限元分析程序FEQ对框支梁、框支柱及相邻墙体进行复核验算，取FEQ计算结果和整体计算结果对框支梁、框支柱进行包络设计配筋。本工程主要框支梁截面选用1200X1500和1000X1500，框支梁与上部墙柱中线重合布置，框支梁抗震等级为二级，梁面支座、梁底均配置不小于0.9%配筋率的钢筋，梁面贯通筋不少于支座面筋的50%，梁底纵筋全梁贯通锚入框支柱，采用φ12@100（8）箍筋沿梁全长加密，并设置φ16@150抗扭腰筋。
4.2框支柱设计
框支柱是框支剪力墙结构的薄弱部位，它的破坏可能导致房屋坍塌，因此必需保证框支柱的承载力和延性，设计时应严格控制框支柱的轴压比。上部刚性墙体地震倾覆力矩对框支柱产生轴向拉、压影响，尤其是单跨框支框架，轴向拉、压力是框支柱破坏的主要原因，设计时应予与重视。本工程主要框支柱截面选用800X1200和700X1000，框支柱抗震等级为二级，轴压比为0.42～0.53，纵向钢筋对称布置且不小于0.9%配筋率，采用φ12@100井字形复合箍沿柱全高加密且 其体积配箍率不小于1.5%。
4.3剪力墙设计
由于框支剪力墙结构转换层下部的落地剪力墙刚度远大于框支柱的刚度，落地剪力墙作为转换层下部主要抗侧力构件，几乎承受了全部地震剪力，其破坏后果十分严重，因此应加强落地剪力墙的配筋构造要求，保证其抗震承载力和延性。在竖向和水平荷载作用下，框支梁上的墙体端部应力集中，因此框支梁上墙体配筋应予以加强。本工程底部加强区部位300厚的剪力墙竖向、水平分布筋采用φ10@150，200厚的剪力墙竖向、水平分布筋采用φ10@200，其配筋率均不小于0.3%。
4.4楼板设计
由于上部结构部分水平力通过转换层楼板进行传递，楼板承受了很大的面内应力，为防止楼板变形过大，应加大转换层楼板板厚提高其刚度，提高转换梁的侧向刚度，加强转换梁的抗扭能力，以实现在平面内进行内力重分配。转换层楼板不宜开设大洞，当不可避免时应在洞口周边布置暗梁或次梁。本工程与转换梁连接的楼板采用180mm厚现浇楼板，双层双向φ10@150钢筋拉通。
5、结语
带转换层复杂高层结构设计中，应合理选用结构体系进行结构布置，综合考虑经济、安全等因素选择最优的转换层形式，控制结构的竖向和平面不规则，努力需求降低结构不规则的方法，准确计算转换构件并采用有限元方法进行复核包络设计，确保整体结构的抗震性能和延性。
参考文献
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[4]李国胜.多高层钢筋混凝土结构设计优化与合理构造[M]. 北京：中国建筑科学研究院，2012
论文作者:陈晓光
论文发表刊物:《基层建设》2017年5期
论文发表时间:2017/6/15
标签：结构论文; 刚度论文; 构件论文; 剪力墙论文; 楼板论文; 支柱论文; 延性论文; 《基层建设》2017年5期论文;