高位转换的框支剪力墙结构设计

高位转换的框支剪力墙结构设计

李相安

江门市规划勘察设计研究院广东江门529000

摘要：本文主要针对高位转换的框支剪力墙结构设计展开了探讨，通过结合具体的工程实例，对结构体系与结构布置作了详细的阐述，并为抗震性能目标、等级及相应的计算和措施作了系统的分析，以期能为有关方面的需要提供参考借鉴。

关键词：剪力墙；结构；设计

所谓的剪力墙，是指房屋或构筑物中主要承受风荷载或地震作用引起的水平荷载和竖向荷载的墙体。剪力墙的施工，对于整体的建筑施工来说有着相当重要的作用。因此，我们需要认真做好剪力墙结构的设计工作。基于此，本文就高位转换的框支剪力墙结构设计进行了探讨，相信对有关方面的需要能有一定的帮助。

1工程简介

某个商业项目共在地表建9栋楼，其中9号、4号作为独立多层商业建筑，1号作为幼儿园，其他楼为办公区域，5号为超高层型塔楼，本文重点介绍该号塔楼结构设计，该塔在地表建筑24层，地下建筑3层，建筑高度共为115.95m（包含房屋内外0.1m的高差）；地下2层和3层作为车库，地上1楼—4楼和地下1楼作为商业用途，5楼以上作为办公用途，避难层是11楼，地下1楼层高为6.3m、地下2楼层高为3.8m、地下3楼层高为3.7m，地上1楼到3楼层高为4.5m，标准楼层高4.9m，4楼层高为6.0m，避难层层高为3.3m。对楼层上部剪力墙实行转换，以达到底部开间的效果，并将转换层设置在底部4楼，以形成框支剪力墙的结构。该工程的安全等级是二级，使用年限规定为50年，采取标准设防型作为抗震措施，烈度约为7度，其地震的加速度设计为0.10g，第三组是设计地震的分组；场地特征的周期是0.45s，Ⅱ类的场地类别，C类的地面粗糙度，0.30kN/m2的基本风压，图1为该塔楼的剖面图：

图1剖面图

2.结构布置和建筑结构体系

结构布置是指利用竖向交通如楼梯间、电梯间等，布置建筑的落地剪力墙，剪力墙的上部大部分区域都落在主梁转换区域，以防止循环转换中不利形式，其钢筋强度、构件截面和混凝土如表1所示。结构体系是指部分框支的剪力墙结构，屋面和楼面都使用现代浇钢筋混凝土型梁板系统。4楼顶层设置为转换层，其性质为高位转换，采取明确梁式、传力途径直接转换方式，该楼层的结构平面图如图2所示，其他标准楼层如图3所示。

3.抗震功能目标与建筑结构的超限情况

该建筑工程是高层建筑中B级高级，高度是115.950m，其偶然偏心位移的比例超过1.2，是属于不规则扭转。针对该工程超限情况，并根据我国《高层建筑混凝土结构技术规程》（简称高规），可以选用D级抗震性能与性能目标，其分析软件和构件抗震性能的具体目标如表2所示。

表2分析软件和构件抗震性能的具体目标

4.建筑工程抗震等级

该建筑工程以丙类标准设防作为抗震设防类别，根据我国《建筑抗震设计规范》和《高规》，该工程构件的抗震等级详见表3。

表3抗震等级

5分析建筑整体结构计算

5.1分析小震的弹性

使用ETABS式软件与YJK式软件，对建筑结构进行计算并对比，采取CQC法（振型分解式反应谱法），计算建筑结构处于小震情况下动力响应，其结果具体见表4，从表的数据可知，ETABS式软件和YJK计算结果较为接近，两者能较好地验证计算结果准确性，同时，数据也反应着建筑结构处于小震情况下可以满足性能目标。

表4ETABS式与YJK计算结果

备注：在计算结构最小侧向型刚度已经将系数1.5，1.1和0.9，且计算值都＞1，满足相关规定；转换层和相邻楼层（上）刚度比例＞0.6，满足相关规定，转换楼层下部和上部建筑结构等效侧向型刚度比例大于0.8，满足相关规定。

通过两组人工波和五组天然波，分析建筑结构弹性时程，由其分析结果得到基底剪力，详细结果见表5，从结果可知，每一条时程曲线所得的基底剪力都在规定的范围65％-135％，多条时程曲线所得的基底剪力都在规定的范围80％-120％内，都满足相关规定，将七组振型分解式反应谱计算得来的基底剪力与地震波剪力平均数比较，并根据两者之间的较大值，对建筑楼层地震作用的标准值进行科学调整。

表5弹性时程分析法和CQC法得到的基底剪力对比

5.2分析中震情况

5.2.1计算中震弹性

该工程的核心构件主要包括楼层底部加强处剪力墙、框支与框架，根据这几个部分制定有关中震弹性抗震设计目标。通过规范反应谱计算中震弹性，其中αmax=0.23（地震最大式影响系数），周期折减式系数＝1.0，在不考虑建筑风荷载前提下，结构式阻尼比＝0.06，中梁刚度的放大系数＝1.2，连梁刚度的折减系数＝0.55，在不考虑内力放大系数前提下，保留建筑荷载的分项系数，承载力型抗震系数、材料的分项系数等。

计算结构中震弹性，可以借助YJK软件，其结果显示：结构中部分底部加强处剪力墙和框支柱的中震弹性配筋值超过多遇地震的计算数值，但没有出现超筋现象，设计施工图时，应按照具体的配筋数值对结构予以加强，结构中框支次梁和框支梁的中震弹性配筋值和多遇地震的计算数值基本接近，且没有出现超筋现象，该结果表明建筑核心构件受剪截面能够较好地满足中震弹性要求。

5.2.2计算中震不屈服

该工程与其他工程相比，具有一定特殊性，因此特意加入以下性能目标：部分结构抗弯屈服、中震下抗剪式不屈服。通过规范反应谱计算中震弹性，其中αmax=0.23（地震最大式影响系数），周期折减式系数＝1.0，在不考虑建筑风荷载前提下，结构式阻尼比＝0.06，中梁刚度的放大系数＝1.2，连梁刚度的折减系数＝0.55，在不考虑内力放大系数前提下，保留建筑荷载的分项系数，承载力型抗震系数、材料的分项系数。

通过YJK软件计算结构中震不屈服，其结果显示，水平方向最大的层间位移角是1/407，垂直方向的最大的层间位移角是1/405，位移角的限值为1/333，普通垂直方向构件存在着个别墙肢超筋现象，结构抗弯步入屈服阶段，但总体的受剪截面能够满足相关中震不屈服要求，转换层以上的X向结构只有一部分出现抗弯屈服现象，抗剪都没有出现屈服现象，建筑中一部分耗能构件的中震不屈服数值表明其存在超筋现象，构件步入屈服阶段。

从以上数据分析可知，在地震的作用下，该建筑核心构件可以满足规定的中震弹性要求，整体结果可以满足相关性能水准要求。

5.3分析大震弹塑性时程

核心构件中框支架剪力结构的上部荷载如果想要向下传递，只能依靠转换构件中内心重新分配，转换构件的受力位置较复杂，结合该工程实际情况，对建筑结构核心构件制定对应的抗剪不屈服、大震情况下抗弯性能目标，转换层水平方向和普通的剪力墙需符合大震不屈服性能目标。

采用STRAT软件对结构进行大震作用下的弹塑性时程分析。从弹性时程分析的七组双向地震波中选用一组人工波（人工波一）、两组天然波（天然波一、天然波二）共三组地震波进行大震作用下的弹塑性时程分析。弹塑性时程分析时，主方向与次方向地震波峰值比取1：0.85，地震波持续时间为20s，主方向地震波峰值取220cm/s2，Tg取0.5s。

利用STRAT式软件，进行结构处于大震情况下弹塑性时程的分析，从以上七组分析弹性时程的数据中选择一组人工波和两组天然波，即人工波一组、天然波一组和二组，共三组数据，对结构进行弹塑性时程分析，其中主方向地震波峰值与次方向的地震波峰值比例为1：0.85，地震波时间＝20秒，主方向的地震波峰值＝220cm/s2，Tg＝0.5秒。

5.3.1整体计算数据结果分析

该建筑的弹性时程整体分析数据（基于三组地震波数值）的计算结果如表6所示，各组地震波都按照水平方向（X方向）和纵方向（Y方向）计算，其结果表明，处于大震情况下，最大的层间位移角位于20层，数值等于1/135，符合规定中大震情况下层间位移角限值要求，即1/100，人工地震波水平方向计算出的建筑结构的层间位移角数值最大，因此，以下分析都以该数据为例。

表6罕遇地震作用下结构整体计算结果汇总

5.3.2分析框支柱、框支梁应变和应力分析

框支梁的纵向钢筋应变与应力分布如图4所示，框支梁的混凝土应变与应力分布如图5所示，该图中应变和应力都以拉为负、压为正，其余方面都相同，可以得出，框支梁的纵向钢筋拉应力最大值＝320.6MPa、压应力最大值＝390MPa，数值都＜400MPa的钢筋强度标准值；框支梁的纵向钢筋最大拉应变力＝0.0016，最大压应变力＝0.00195，数值都＜0.002的钢筋屈服应变，说明在大震情况下，框支梁的纵向钢筋没有屈服。局部集中位置的应力数值为38.46MPa，比混凝土抗压强度的标准值小，代表在大震情况下，框支梁的混凝土没有出现屈服现象。

框支柱的纵向钢筋应变与应力分布如图6所示，框支柱的混凝土应变与应力分布如图7所示，从图中可知，框支柱的纵向钢筋拉应力最大值＝183.67MPa，数值都＜38.5MPa混凝土抗压强度的标准值，混凝土的压应变最大值＝0.00086，＜0.002，说明在大震情况下，框支柱的混凝土没有出现屈服。

图6框支柱纵筋应变与应力分布图7框支柱混凝土应变与应力分布

5.3.3建筑落地剪力墙应变与应力分析

第一层落地剪力墙的纵向钢筋应变与应力分布如图8所示，第一层落地剪力墙的混凝土应变与应力分布如图9所示，从图中数据可知，剪力墙的纵向钢筋应变力最大值＝111.3MPa，数值都＜400MPa的钢筋强度标准值，混凝土的应变力最大值＝18.57MPa，数值都＜38.5MPa的混凝土抗压标准值，混凝土压应变最大值＝0.00054，＜0.002，说明在大震情况下，第一层落地剪力墙纵向钢筋和混凝土都没有出现屈服现象。

5.3.4转换层楼板应变与应力分析

该工程属于部分框架支剪力墙结构，为确保转换层不是落地剪力墙的部位水平剪力可以通过楼板位置传递给落地垂直方向构件，应对转换层楼板进行应变和应力分析。

数据显示，大多数楼板钢筋拉应力最大值＝333.6MPa，压应力最大值＝399.2MPa，＜400MPa钢筋强度标准值，不存在塑性应变情况；局部构件应力集中部位应力数值达到或接近标准值，存在轻微的塑性应变，拉应变最大值＝0.0017，压应变最大值＝0.0022。

转换层楼板的混凝土压应力最大值＝37.7MPa，数值都＜38.5MPa的混凝土抗压强度标准值，其压应变最大值＝0.0017，说明转换层楼板不存在塑性变形情况，即在大震情况下，转换层楼板的混凝土没有出现屈服现象。

6抗震加强具体措施

6.1核心构件

（1）控制框支柱轴压和底部加强位置剪力墙比例与底部加强位置剪力墙轴压比例＜0.4，框支柱的轴压比例＜0.5，并使用C60高强度的混凝土。

（2）对于核心框支柱加设芯柱；对于轴压比大于0.4的框支柱加设芯柱，提高结构延性，芯柱的配筋率超过0.8％。

（3）控制底部加强位置剪力墙垂直方向和水平方向设置最小配筋率，底部加强位置落地剪力墙垂直方向和水平方向配筋率超过0.4％，转换层两层以上的不落地剪力墙垂直方向和水平方向配筋率超过0.6％

6.2转换层楼板

（1）转换层上层与下层（相邻）厚度取150mm和120mm，双层配筋率超过0.25％。

（2）依照楼板的应力数值，需加大诸如楼板洞口周边应力集中位置楼板配筋。

7结束语

综上所述，剪力墙在建筑结构中占据着重要地位，能够较好地保障墙体规避地震等特殊情况的损坏，从而保护用户生命财产安全。因此施工单位必须做好剪力墙的设计工作，为剪力墙顺利施工提供保证，建筑高质量剪力墙，从而综合提升建筑整体抗震功能。

参考文献：

[1]方义庆.某带高位转换的框支剪力墙结构设计[J].建筑结构.2013（01）.

[2]郑硕锋.超高层高位转换框支剪力墙结构抗震设计[J].山西建筑.2010（21）.