结合工程实例谈框支剪力墙转换层结构设计

　　摘要：文章结合某综合商住楼工程，针对现代高层建筑物框支剪力墙转换层结构设计的方法、方案的选定及施工中应注意的几个问题初探。供于同行借鉴。
　　
　　关键词：高层建筑物；框支剪力墙；转换层；结构设计
　　
　　1工程概述
　　某综合商住楼，总建筑面积为30000m2，地下一层为车库，底部一、二、三层为商业和娱乐用房；四层为结构转换层，转换层以上为高层住宅楼，建筑总层数为二十九层，总高度为92.50m，本建筑位于六度抗震区，建筑场地为Ⅱ类，丙类建筑。框支柱和剪力墙底部加强部位的抗震等级为一级，非底部加强部位剪力墙抗震等级为三级。在楼、电梯部位设置上下对齐的落地剪力墙形成核心筒，并在简体对称位置设置纵横落地剪力墙。一层平面图及标准层平面图如图1所示。
　　
　　图1一层平面图及标准层平面图
　　2结构方案
　　根据建筑功能要求，本工程底部商业和娱乐部分要求有较大的柱网，形成大空间；上部为住宅，分隔空间较小。从结构受力角度来看，建筑物沿竖向正常的布置应该是下部楼层的墙、柱多而密，刚度大。上部则逐渐减少墙、柱，减小刚度。这样布置可是结构刚度沿竖向均匀递减，避免刚度突变。而建筑功能要求常使竖向结构的布置正好相反。结构设计在方案确定时，底部为框架-剪力墙结构，上部采用剪力墙结构，在第四层楼面位置设置转换层。转换层结构构件大致可采用梁、桁架、空腹桁架、箱形结构、斜撑等，非抗震设计及六度抗震设计时亦可采用厚板口]。由于厚板转换传力线路不清晰，受力复杂，常会引起转换层附近构件应力集中现象，且厚板在地震区使用经验较少；而转换梁构件传力明确，结构合理，且施工相对简单。本工程采用转换梁作为转换构件。
　　3结构设计
　　本工程采用钢筋混凝土大梁作为结构转换层，将上部剪力墙结构变为下部三层以柱为主的大空间结构，满足建筑上使用功能的需要。在结构设计时，应着重从以下几个方面着手：
　　（1）构件截面的确定
　　转换大梁(即框支梁)截面组合的最大剪力设计值应满足公式1的要求：
　　有地震组合时：V=(0.15βcƒcbh0)／γRE(1)
　　式中：γRE=0.85；
　　βc--混凝土强度影响系数。当混凝土强度等级不大于C50时，取1.0；当混凝土强度等级大于C80时，取0.8；当混凝土强度等级在C50至C80之间时，可按线性内插采用。
　　ƒc--混凝土轴心抗压强度设计值；
　　b--构件截面宽度；
　　h0--构件截面有效高度。
　　本工程采用混凝土强度等级C40，ƒc=19.1N／mm2，采用中国建筑科学院PKPM、SETWE软件进行结构整体计算，确定转换梁(框支梁)的截面尺寸为1000mm×2500mm。
　　（2）框支剪力墙截面的确定
　　在水平荷载作用下，当转换层上、下部楼层的结构侧向刚度相差较大时，会导致转换层上、下部结构内力突变，促使部分构件提前破坏。为此，在结构设计时，应严格控制转换层上、下层结构等效刚度比的限值规定。当底部大空间为1层时，转换层上、下结构以剪切变形为主，可近似用转换层上、下层结构等效剪切刚度比γ表示转换层上下层结构刚度的变化，非抗震设计时γ不应大于3，抗震设计时γ不应大于2；当底部大空间大于1层时，其转换层上、下部结构的等效侧向刚度比γe可按图2所示的计算模型按公式2计算。比值宜接近1，非抗震时不应大于2，抗震设计时不应大于1.3。
　　γe=△1H2／△2H1(2)
　　式中γe--转换层上下结构的等效侧向刚度比；
　　H1--转换层及其下部结构(模型a)的高度；
　　△1--转换层及其下部结构(模型a)的顶部在单位水平力作用下的侧向位移；
　　H2--转换层及其上部若干层结构(模型b)的高度，其值应等于或接近模型a的高度H1，且不大于H1。
　　△2--转换层及其上部若干层结构(模型a)的顶部在单位水平力作用下的侧向位移。
　　
　　图2转换层上下等效侧向刚度计算模型
　　当转换层设置在3层及3层以上时，其楼层侧向刚度尚不应小于相邻上部楼层侧向刚度的60％。
　　转换层上下部结构等效侧向刚度计算时，宜综合考虑各构件的剪切、弯曲和轴向变形对结构侧移的影响。同时按一、二级抗震等级设计的剪力墙的截面厚度，底部加强部位不应小于层高或剪力墙无支长度的1／16，且不小于200mm；其他部位不应小于层高或剪力墙无支长度的1／20，且不小于160mm。
　　根据以上相关要求，并结合建筑平面布置，本工程转换层以下落地剪力墙厚度采用350mm，转换层以上部分根据墙所在位置的不同分别采用240mm和200mm。在设计中采用SETWE软件整体计算得：γe=1.186，能较好的满足转换层上下结构的等效刚度比限值的要求。
　　（3）框支柱截面的确定
　　本工程根据SE1WE软件计算，框支柱根据轴压比限值为0.6的要求确定，同时结合框支梁的截面宽度及框支梁计算跨度，最后采用柱截面为1200mm×1200～1400mm不等。
　　（4）转换层楼板厚度确定
　　转换层楼板是主要传力构件。因此在设计时，对框支层楼板应进行截面尺寸的控制，并应进行抗剪截面验算、楼板平面内受弯承载力验算以及构造配筋要求。本工程转换层楼板厚度取值为200mm；实际配筋为Φ12×150双层双向，楼板中钢筋锚固在边梁或墙体内。与转换层相邻楼层的楼板也适当加强，板厚采用150mm。
　　4结构计算
　　（1）框支剪力墙结构的内力分析分两步：首先采用三维空间方法进行整体结构的内力分析，得到各构件的内力和配筋；然后对转换梁(框支梁)附近楼层进行平面有限元分析，取得详细应力分布，然后决定转换梁(框支梁)和附近墙体内的配筋。平面有限元分析的范围选取底层框架和框支层以上4层的墙。底层框支梁柱的有限单元按300划分，在梁柱全截面高度下划为五等分，上层墙体结合洞口位置均匀划分。
　　（2）内力分析后，应对楼层剪力作如下调整：
　　①底层落地剪力墙承担该层全部剪力。
　　②底层框支柱承担20％～3O％的底层剪力，其分配原则应按下表进行。
　　
　　框支柱剪力调整后，应相应调整框支柱的弯矩及柱端梁(不包括转换梁)的剪力、弯矩，框支柱的轴力可不调整。
　　（3）带转换层的高层建筑，转换层的下部楼层由于设置大空间的要求，使得部分竖向抗侧力构件不连续，侧向刚度会产生突变，一般比转换上部楼层的刚度小，设计时应采取措施减少转换层上、下楼层结构侧向刚度及承载力的变化，以保证满足抗风、抗震设计的要求。底部带转换层结构的薄弱层的地震剪力应乘以1.15的增大系数。
　　（4）分析结果说明，框支梁大多数情况下为偏心受拉构件，并承受较大剪力。框支梁上墙体开有边洞时，形成小墙肢，此小墙肢的应力集中尤为突出，而边门洞部位框支梁应力急剧加大。在水平荷载作用下，上部有边门洞框支梁的弯矩约为上部无边门洞框支梁的弯矩的3倍，剪力也约为3倍，因此在设计时，除小墙肢外，边门洞部位的框支梁的抗剪能力也应加强，箍筋应加密配置。本工程设计时，采用梁端加腋的方式提高抗剪承载力，并加密箍筋。
　　5构件配筋
　　（1）框支梁大多数为偏心受拉构件，本工程设计框支梁上、下实际纵向配筋率分别为0.92％～1.43％不等，并保证至少大于5O％的支座上部纵向钢筋沿梁全长拉通。箍筋配筋率最小达到1.2％，箍筋直径为14。
　　（2）框支柱在严格控制轴压比的情况下，柱内全部纵向钢筋配筋率分别为1.82％～2.35％不等，箍筋配筋率最小达到2.1，箍筋直径为16，并采用井字复合箍沿柱高方向全高加密。
　　6处理过程中需要加以注意的问题
　　（1）短柱问题。由于转换梁截面较大，框支柱很容易形成短柱。尽管《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2O0)有明确规定，当剪跨比不大于2但不小于1.5的柱，在轴压比限值上应从严要求外，对剪跨比小于1.5的柱，在轴压比限值上应专门研究并采取特殊构造措施，但并没有明确具体的处理办法。因此在设计时应采取相关措施尽量避免短柱的出现，可以用增加转换层的层高来解决此类问题。
　　（2）转换层结构在采用框支梁作为转换时，通常不再单独设置设备层，而是通过二次吊顶解决。因此，在设计时，应尽量与设备专业精心配合，做好管道的预留、预埋，并应做好预留、预埋的加强设计处理。
　　（3）框支梁、框支柱节点核心区，往往钢筋数量较多，给施工带来非常大的困难。因此，在设计时，应尽量采用高强度的钢筋，如HRB4OO级，甚至在必要时采用预应力钢筋，并采用大直径的线材，使钢筋根数相对减少，并要求钢筋在施工过程中采用机械连接的方式来解决上述问题。
　　（4）框支梁的截面尺寸一般都较大，容易形成大体积混凝土，在施工中有时无法保证一次性浇捣成型，这样一来就会出现施工冷缝，使设计意图在施工中无法体现。因此，在设计时，应首先考虑到施工因素，采取相关措施加以分析、解决，以确保整个结构的安全。
　　7小结
　　转换层结构较为复杂且工程量又较大，因此设计人员首先应注重概念设计，这样一来可以少走弯路；其次通过上述计算和分析可以得知，此类建筑在平面布置上应尽可能的规则、对称，减少偏心，优化调整转换层上下结构的布置和刚度，使之接近是十分必要的；同时应注意框支梁、框支柱等构件的特殊性；最后也应考虑施工难度大的因素，因此在设计时，尽量考虑施工的可行性，以达到最为合理的设计。
　　参考文献：
　　[1]JGJ3-2002.高层建筑混凝土结构技术规程[S].
　　[2]全国民用建筑工程设计技术措施一结构[M].中国建筑标准设计研究所，2003.
　　[3]多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE用户手册及技术条件[M].中国建筑科学研究院，2005.

《结合工程实例谈框支剪力墙转换层结构设计》

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