框筒结构设计

框筒结构设计

王小磊

中煤科工集团北京华宇工程有限公司河南平顶山467000

摘要：在经济快速发展的同进，还推动了建筑行业的快速进步。建筑规模逐步扩展，使得楼层建设越来越高。框架剪力墙结构不仅有剪力墙结构的伉侧刚度大、承载力高的特点，同时，还有框架结构空间大、布置灵敏的优点，所以在高层建筑中被广泛应用。

关键词：高层建筑；剪力墙；结构设计

1框筒结构特征

高层结构层侧向刚度是由上下两端均有弯曲约束的柱和墙的侧向刚度所构成，要掌握框架部分和核心筒剪力墙的层侧向刚度，应首先研究框架柱或剪力墙的侧向刚度的特点。以柱为例，下端嵌固上端自由时，柱的侧向刚度为：

（1）

式中：E为弹性模量；I为截面惯性矩；h为柱长度。当上端不可转动仅能水平移动时，其侧向刚度增大4倍为：

（2）

当上端自由下端为转动约束端时，侧向刚度减小为：

（3）

式中Kθ为下端转动约束刚度，即产生单位转角时该端作用的弯矩。

当转动约束刚度Kθ无穷大时，Kc3简化为

反之当转动约束刚度很小时，侧向刚度将明显减小，当柱下端为铰接时，Kc3=0。对单片剪力墙，下端嵌固上端自由时，其侧向刚度可表示为：

（4）

当上端无转动时，式（12）简化为：

（5）

式中：G为剪切模量；A为剪力墙截面面积；L为剪力墙的高度。当上端自由下端具有转动约束，且转动约束刚度为Kθw时，剪力墙的侧向刚度计算式中（5）变为（6）

式中：G为剪切模量；A为剪力墙截面面积；L为剪力墙的高度。当上端自由下端具有转动约束，且转动约束刚度为Kθw时，剪力墙的侧向刚度计算式（12）变为

2高层建筑框支剪力墙结构设计的原则

（1）总体结构原则。剪力墙结构实施设计建设时必须依照整总体结构原则，在建设墙体之间的连接梁过程时需要注意有关问题，于此同时进行梁上砌筑过程时，关于墙体的填补问题应选用较为轻便的材料，放便保证结构体系的完整性。（2）空间性原则。框支剪力墙实施有关建设时必须注意建筑的空间结构，关注不同方向剪力墙的刚度是否均匀，致使剪力墙结构的总体质量得到提升以及提高运用成效。（3）谨慎性原则。建设剪力墙结构过程中对于门窗洞的设计规划上，必须重点注意门窗洞上下是否对齐问题，方便连梁以及墙肢比较清晰的识别。因此建筑设计人员还要具有比较高的专业素质，依照谨慎性原则，待建筑结构设计完成以后，进一步仔细检查设计方案，进而完善其中的不足能够更好的完成建筑结构的设计方案，减少工程建设成本，有效提升经济效益。（4）全面性原则。避免剪力墙结构平面以外部分呈现弯矩现象，防止剪力墙结构的出现弯矩风险问题，必须对楼面梁合理建设在一字型剪力墙以及标准剪力墙墙体与楼面连梁的过程，及时有效的纠正施工过程中出现的结构失误。

3结构设计

3.1结构平面布置

为了使整体结构的复杂性以及两楼之间的影响降到最低，防止不同质量以及不同刚度所引发的扭转效应和增大问题，选用140mm的防震缝自地下室将楼和裙房之间进行分隔，从而可以构成多个且较规则的子结构。从概念设计规划角度来对结构体系进行选择，同时还要按照建筑平面设置，结构体系运用用框架－剪力墙核心筒结构。剪力墙核心筒位置选取现浇钢筋混凝土材质筒体，筒外体框架柱则要运用钢筋混凝土柱，楼面链接梁一般使用普通梁体，楼板则运用现浇实心板。剪力墙核心筒构件是抵抗水平作用的主要构件，然而外围框架柱则主要是承受竖向荷载力量。

为了使楼板的整体性得到保证，楼板与筒体均是运用混凝土进行整体浇筑操作，筒体外周与楼板连接处浇筑混凝土时不能预留竖向施工缝，标准结构层平面设计见图。1

图1结构标准层平面布置图

3.2结构立面布置

鉴于立面相比较的规则性，所以框架柱和核心筒的截面以及混凝土强度都是由下向上发生变化，逐步均匀减小，并无显著的不规则性。然而由于核心筒剪力墙墙体是上下连续性的，所以只有外框架的部分框架柱需要进行变换，因此相邻层的刚度并不会有在变化发生，在进行框架设计规划时只需在收缩层处利用框架梁来来对该收缩层的刚度进行增大。此外，核心筒除了要承受主要的水平荷载力外，同时还要确保其能够在超过荷载力范围内，由于开裂刚度下降而产生后的延性问题，基于此，在对核心筒的剪力墙通常是运用低轴压比设计方式。

3.3裙梁的高跨比

外围初裙梁的竖向弯剪刚度对于框加柱竖向轴力沿水平方向的传递效率有决定性的作用。然而裙梁的高跨比对竖向弯剪刚度有十分重要的影响因素。适量的使裙梁高跨比增大，可以使“剪力滞后”效应得到大大的改善，但是在跨高比增大到一定程度之后，若再继续对其增大，而“剪力滞后”的改善情况就不会明显。在具体的实际工程中，在确保建筑使用功能不影响的前提下，可以利用降低外围框架柱距、上翻裙梁等途径来对高跨比进行增加，从而降低“剪力滞后”效应。

3.4主体结构的高宽比（高度）

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3－2010）中9.12条指出“筒中筒结构的高度不宜低于80m，高宽比不宜小于3。对高度不超过60m的框架－核心筒结构可按框架－剪力墙结构设计”。从中不难理解筒中筒结构、框架－核心筒结构的空间承受力性能跟其高度和宽度比息息相关。总体结构的高与宽比率越小，在其水平受力情况下，总体变形越加接近剪切变形，翼缘框架对抵抗倾覆弯矩的效力比较小，总体框架的空间工作性能比较差，“剪力滞后”效应较为明显；反之，总体结构的高与宽比越大，在其水平受力情况下，总体变形越接近弯曲变形，翼缘框架对抵抗倾覆弯矩的效力比较大，总体框架的空间工作性能比较好，“剪力滞后”效果不太明显。

4嵌固端与转换层楼板板厚的确定

将楼板作为嵌固端，既能够确保上部分结构在地震作用下剪力可以通过地下室顶板从而传递到全部地下室结构上，同时又可以保证上部分结构在地震作用下的变形位置是将地下室作为参照原点对其进行一步的参照。《抗规》第6.1.14条规定：当将地下室顶板作为上部分结构嵌固端时，则地下室结构的侧向刚度与上部分的结构的侧向刚度之比不可低于2。所以，在选择地下室顶板厚度取应当选择200mm的厚度，与此同时，为了可以将水平地震力有效的传递给剪力墙，在应力集中的位置，要加大楼反厚度，应用力转换位置则应该取用厚度为180mm的楼反，而与其相邻的位置也应适当加厚度加至150mm。

5大体积混凝土配合比设计

核心筒外墙厚度700mm，接近大体积混凝土的临界尺寸，可称为亚大体积混凝土；强度等级为C60，C50，单方水泥用量较大，在混凝土配合比设计和成型养护方面充分考虑，采取相应的措施。（1）水泥品种选用。选用42.5MPa矿渣硅酸盐水泥。根据实际计算以及配合比优化选取，在保证混凝土强度等级的前提下，尽可能减少单方水泥用量。（2）粗、细骨料的优化选取。砂、石的含泥量严格控制，否则会增加混凝土的水泥用量及收缩，同时也会引起混凝土抗拉强度降低，对混凝土的抗裂是十分不利的，因此要求碎石的含泥量控制在1%以内，砂子的含泥量控制在2%以内。碎石选用自然连续级配，可以提高混凝土和易性，减少水和水泥用量，增加抗压强度。在满足混凝土泵送的条件下，尽量选用粒径较大的、级配良好的碎石，这样可以降低混凝土的升温，减少混凝土的收缩，避免过多的泌水。（3）外加剂的选用。为提高混凝土的抗裂性、和易性、可泵性，采用多掺技术，在试配过程中内掺一定数量的缓凝型高效泵送减水剂；内掺适量Ⅱ级粉煤灰，从而减少拌和用水，节约水泥用量，降低水化热，防止或减少混凝土收缩开裂，并使混凝土致密化。

6结束语

在剪力墙结构设计领域具有较强的复杂性和逻辑性，设计师要全面、合理地考虑影响建筑结构的因素以及对建筑质量产生的影响程度，不断在实验或者实际考察中对剪力墙结构设计方案进行优化，以便确保建筑结构的质量，从而可以使建筑结构的且用周期得到延长。

参考文献：

[1]徐媛媛，朱珊珊.高层建筑框剪结构设计优化措施分析[J].城市建设理论研究（电子版），2013，l28）.

[2]畅君文.建筑结构设计若干问题的认识[J].结构工程师，2004，04.

[3]陈博望，王海波．钢筋混凝土筒中筒结构空间工作性能分析[J]．建筑科学，2005，21（1）：41－44．