摘要：笔者结合多年的结构设计工作经验，结合工程实际，分析了高层建筑框支剪力墙的结构设计步骤及应考虑的各种不利因素。
关键词：高层建筑；框支剪力墙；结构设计；受力分析
1.工程概况
该工程上部为公寓，地面以上31层，其中裙房地面以上2层商业；整个工程设有三层地下室，其中两层为地下停车场，负一层为商业，地下室埋深为-13.200。建筑的总面积一共为29358.31m2。该工程的建筑结构安全等级为二级，抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g，设计地震分组为第一组，地面粗糙度为C类，基本风压值取值0.75kN/㎡，场地土类别为Ⅱ类。
3.结构方案确定及布置
该工程上部公寓采用剪力墙结构，裙房部分为商业，为满足大空间使用功能，部分剪力墙不能直接连续贯通落地，需要设置结构转换层，所以最终确认该工程为部分框支剪力墙结构。该工程建筑0.000标高以上高97.60m，框支转换层设置在建筑三层屋面，也就是结构计算层的第六层，属于高位转换，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3-2010)确认抗震等级[1]：
框支柱、底部加强部位剪力墙：特一级，框支梁：一级，非底部加强部位剪力墙：二级
（除图纸注明外，地下三层~地下二层(标高：基础顶面~-5.150)的抗震等级均为三级，地下一层的抗震等级同相应的塔楼。）
以下以该工程为例，详述高层建筑框支剪力墙的结构设计：
首先，根据建筑平面进行结构布置，塔楼A座为长35.6米，宽23.4米的矩形平面，设有4个电梯和两个楼梯间，电梯和楼梯间沿平面的X向中轴偏下布置(X向和Y向均略微有点偏心)，刚好楼梯周圈和电梯周圈设置落地剪力墙，其余公寓在满足建筑使用功能需要的前提下，剪力墙双向布置,尽量拉通、对直。因建筑立面功能需要，剪力墙在外围周圈均不能设置墙肢，为了避免形成大片的一字型剪力墙，与建筑专业协商，在外围的端部均设置了400x700的端柱。在竖向布置中,力求规则均匀,避免有过大的外挑、内收,在不影响建筑使用功能的前提下，能落地的剪力墙尽量落地，不能落地的剪力墙再考虑转换。均匀布置剪力墙，尽量使结构布置平面形状和刚度均匀对称，使整个房屋的抗侧刚度中心靠近水平荷载合力的作用线,以免房屋发生扭转。其次，根据建筑提资条件，确认各使用功能的使用荷载，常规使用功能荷载可以从《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)中确定[2]，如车库，商场，公寓，电梯机房，楼梯等等的使用荷载，特殊荷载如甲方希望以后商场要引进比如沃尔玛超市等，则需要与甲方协调，并确定沃尔玛超市冰鲜区活荷载取值为：10KN/m2。
3.计算参数控制及结果分析
结构整体计算采用中国建筑科学研究院开发的SATWE程序进行。SATWE采用的是在每个节点有六个自由度的壳元基础上凝聚而成的墙元模拟剪力墙墙元不仅具有平面内刚度也具有平面外刚度，可以较好地模拟工程中剪力墙的真实受力状态，计算结果较精确；同时，对楼板SATWE可以考虑其弹性变形。虽然主楼结构平面较规则，但由于刚度较大的电梯井处筒体有点偏置，并且上部楼层部分剪力墙不能直接连续贯通落地，存在竖向刚度突变现象,会产生扭转的影响,为了计算准确,地震作用计算考虑了结构的扭转耦联和5%偶然偏心的影响,取了15个振型计算，并强制指定转换层所在计算层为薄弱层，薄弱层地震内力放大系数1.25；指标计算时“对全楼强制采用刚性楼板假定”，配筋计算则不用；连梁刚度折减系数取0.7。
本工程根据上述布置，经过多次计算与调整尝试，在设计过程中注意周期、位移、剪重比等等一系列系数的控制（详见本文之后的系数控制章节）最终确定：标准层剪力墙墙厚200，外周圈梁200x750，内部梁200x400~500；转换层上一层剪力墙作为承上启下内力传递的的过渡层，局部在不影响使用功能的前提下，剪力墙墙厚250；转换层框支柱截面1200x1700和1200x1200，可连续直接落地剪力墙在不影响建筑各处净宽及使用功能的前提下墙厚500和250，框支主梁截面1200x1800，框支次梁截面800x1500。转换层楼板作为转换上下传力的构件，板厚180，转换层上下各一层楼板板厚150，其余商业楼板板厚120，标准层板厚除局部小板取100外，楼梯、电梯周圈板厚120，地下室顶板为嵌固端，板厚180。墙柱混凝土等级： -3~4层C60，5~9层C55，10~14层C50，15~19层C40，20层及以上C30；梁板混凝土等级除转换层为C45以外，其余均采用C30，钢筋全部采用三级钢。
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1）自振周期的控制
考虑扭转耦联时的自振周期(计算时自振周期折减系数取0.9)可得,结构扭转为主的第一自振周期T3=2.2634s,平动为主的第一自振周期T1=2.8183s,T3/T1=0.803<0.9,满足高规[3]第3.4.5条的规定。
2）结构位移的控制
最大层间位移角(应≤1/1000)，最大水平位移与层平均位移的比值(不宜大于1.2,不应大于1.5)及最大层间位移与平均层间位移的比值(不3宜大于1.2,不应大于1.5)。
3）剪重比控制
剪重比是反映结构承受地震作用大小的指标之一，地震力计算不能偏大，也不能太小。根据抗规[3](5.2.5)条要求的X、Y向楼层最小剪重比均为1.60%，本工程X方向的最小剪重比为1.52%，从出地面起计算4~10层剪重比均不满足规范要求，所以从剪重比开始不满足的计算第4层开始调整剪重比；Y方向的最小剪重比为1.66%，各层均满足要求。
4）高位转换时转换层下上结构的等效侧向刚度比
采用楼层刚度算法:剪弯刚度算法：转换层所在层号=6
转换层下部结构起止层号及高度= 4 6 16.25
转换层上部结构起止层号及高度= 7 11 14.80
X方向下部刚度= 0.1852E+08 X方向上部刚度= 0.5203E+07 X方向等效刚度比= 3.9073
Y方向下部刚度= 0.2059E+08 Y方向上部刚度= 0.1442E+08 Y方向等效刚度比= 1.5684 计算结果满足高规[1]附录 E的相关规定。
5）楼层抗剪承载力、及承载力比值
X方向最小楼层抗剪承载力之比: 0.90 层号:2塔号:4
Y方向最小楼层抗剪承载力之比: 0.87 层号:2塔号:4
6）0.3V0的控制
本工程每层框支柱数目多于10根，框支柱为出地面以上3层，根据高规[1]（10.2.17.2）条，“每层框支柱承受剪力之和应至少取结构基底剪力的30%”PKPM计算书WV02Q.OUT仅输出0.2V0的计算结果，需要将计算结果换算成0.3V0，换算结果满足规范要求。
7）轴压比
轴压比是体现墙肢抵抗重力荷载代表值作用下的能力，二级剪力墙轴压比控制在0.6以下，特一级剪力墙轴压比控制在0.5以下，特一级框支柱轴压比控制在0.6以下。
通过以上各项系数控制，使本工程的超限数未突破超限审查规定[4]的三项，判定本工程可按一般高层设计。
结语：高层建筑框支剪力墙的结构设计，首先从概念设计确认建筑的结构布置方案，其次确定好各项计算指标与参数，最后通过计算，得到结果，并由结果判别出整个建筑结构设计的合理性，可行性，经济性等，最终将计算结果绘制成设计成果交付甲方。同时，为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。
参考文献：
[1]《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3-2010)
[2]《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)
论文作者:严芸
论文发表刊物:《建筑科技》2017年第8期
论文发表时间:2017/10/9
标签：刚度论文; 剪力墙论文; 结构论文; 荷载论文; 工程论文; 建筑论文; 位移论文; 《建筑科技》2017年第8期论文;