浅析梁式转换层框支剪力墙结构的抗震设计

浅析梁式转换层框支剪力墙结构的抗震设计

潘鹏沈华杰

陕西省建筑设计研究院有限责任公司广东惠州516000

摘要：本文选取典型的梁式转换层框支剪力墙高层结构，对其进行了在多遇地震和罕遇地震下的动力响应的系统研究。旨在掌握此类结构的抗震性能，为实际的抗震设计提出建议。

关键词：梁式转换层框支剪力墙；高层结构；地震；抗震性能

一、梁式转换层

梁式转换层应用最广泛的转换梁可沿纵向和横向平行布置；当需要纵、横向同时转换时，可采用双向梁的布置。梁式转换层一般在转换层的楼面设置钢筋混凝土承重大梁，以支承其上部结构，为适应上部荷载的需要，梁的截面尺寸较大。例如，框支剪力墙结构，底部因地下停车库及商业裙房要求的大空间使得上部剪力墙无法落至基础，因此常利用裙房顶层作为转换层或单独设置转换层，形成剪力墙→转换梁→框支柱→基础的竖向传力结构。

二、框支剪力墙结构

1.框支剪力墙结构体系

框支剪力墙结构体系指上部剪力墙支撑在底层或底部数层框架上，共同形成一个整体的结构型式，是目前临街多高层建筑中最常用的一种结构体系，它的上部、中部、下部可以采用不同的开间，能较好满足人们对建筑的多重使用功能的要求。由于框支剪力墙的结构布置与结构的正常布置发生了矛盾，必须在结构形式及结构布置变化的楼层设转换层以实现结构类型及轴线的转换。由于框支剪力墙结构体系在框支层、转换层及剪力墙层之间存在较大的刚度突变，不利于结构抗震。特别地，柔性底层大空间框支剪力墙是在建筑底层或底部几层将大部分剪力墙改为钢筋混凝土框架，由于上下部刚度突变过大，在地震作用下，底部框架产生绝大部分变形，上部剪力墙几乎处于弹性状态，该结构体系在二十世纪七十年代前较为流行。

2.改善和提高框支剪力墙抗震性能

（1）从选型上着手，通过调整各层间刚度，使各层刚度相差不大或尽量减小各层间的刚度差。可供选择的方案有：①对每片抗侧力结构的刚度进行调整；②对过渡层刚度进行调整；③在框支墙基础上在底部四周增加抗侧移的墙或柱，形成所谓的大底盘大空间结构；④在剪力墙上设人为竖缝等。

（2）从配筋上着手；为保证框支柱的延性和提高柱的抗侧刚度，可在柱内埋置。

三、梁式转换层框支剪力墙结构的地震反应分析

1.地震反应分析方法

（1）振型分解反应谱法

所谓振型分解反应谱法，就是利用振型的正交特性，把结构在地震作用下的复杂振动分解为各个振型独立振动的迭加，然后利用单自由度体系的反应谱来分别计算结构在各自振型下的地震效应，然后进行地震效应组合，从而得到结构的整体地震效应。其主要基于以下基本假定：①结构的地震反应是线弹性的，可以采用叠加原理进行振型组合；②结构的基础是刚性的，所有支撑处的振动完全相同；③结构最不利地震反应为其最大地震反应；④地震动过程是平稳随机过程。

（2）时程分析法

时程分析法又称动态分析法．它是将地震波按时段进行数值化后，输入结构体系的振动微分方程，采用逐步积分法进行结构动力反应分析，计算出结构在整个强震时域中的振动状态全过程，给出各个时刻各杆件的内力和变形，以及各杆件出现塑性铰的顺序。它从强度和变形两个方面来检验结构的安全和抗震可靠度，并判明结构屈服机制和类型。

采用时程分析法进行结构地震反应分析时，其具体步骤大体如下：①按照建筑物场址的场地条件、设防烈度、近震或远震等因素，选取若干条具有不同特性的典型强震加速度时程曲线，作为设计用的地震波输入。②根据结构体系的力学特性、地展反应内容要求以及计算机储量，建立合理的结构振动模型。③根据结构材料特性、构件类型和受力状态，选择恰当的结构恢复力模型，并确定相应于结构（或杆件）开裂、屈服和极限位移等特征点的恢复力特性参数，以及恢复力特性曲线各折线段的刚度数值。④建立结构在地震作用下的振动微分方程，采用逐步积分法求解振动方程，得结构地震反应的全过程。⑤必要时也可利用小震下的结构弹性反应所计算出的构件和杆件最大地震内力，与其它荷载进行内力组合，进行截面设计。⑥采用容许变形限值来检验中震和大震下结构弹塑性反应所计算出的结构层间侧移角，判别是否符合要求。

2.梁式转换层框支剪力墙结构抗震设计

（1）梁式转换层框支剪力墙结构平面布置要规则、对称、建筑平面避免过大的凹槽、内收及楼板大面积开洞以及抗震规范要求不允许出现的不规则平面。因为在地震作产生的水平力要靠楼盖均匀地传递到各个竖向构件剪力墙、如果楼板不连续、或者不规则各个竖向构件就会传力不均，使其平面质量中心与刚度中心不重合，使结构绕刚心发生扭转，导致同层构件同一方向上产生不同位移，严重时导致结构整体破坏，所以在结构设计中，必须对结构平面布置不规则扭转问题提起足够重视。

（2）除核心筒落地外落地剪力墙的布置宜对称、在满足建筑使用要求的前提下尽可能使结构平面外围的上部剪力墙落地贯通同时剪力墙的布置尽量使结构刚度中心与结构质心重合增大结构的抗扭刚度减小扭转产生的位移。

（3）控制转换层上下楼层刚度比、及转换层下部与上部的等效刚度。加强框支层刚度要求转换层及上、下楼层刚度基本均匀使转换层上、下结构整体抗侧刚度接近当下部刚度不够足时可以适当加大底部剪力墙的混凝土强度等级、厚度、增设剪力墙等。

（4）加强转换层下部楼层避免在转换层以下出现薄弱层。增大落地剪力墙抗剪抗弯能力同时控制框支柱的轴压比，框支柱采用复合箍全高加密形式来增强框支柱的延性变形能力。转换层以下结构混凝土强度等级不能太高否则混凝土构件塑性能力差抗震性能受阻。在框支柱截面大小受限及当地混凝土强度等级受限的前提下可以采用芯柱或者加型钢的办法来提高轴压比及延性性能的要求。

（5）转换层上部宜少采用短肢剪力墙，尽量布置普通剪力墙。因为短肢剪力墙的抗震等级要比普通剪力墙抗震等级高、抗震措施要求比普通剪力墙要求更严格，短肢剪力墙抗侧能力也不及普通剪力墙不利于优化设计。

（6）尽量不要采取高位转换或者更高位转换（转换层层数超过规范要求的层数时）。转换层以下层数越多抗震性能越不好，因为高位转换时刚度和质量都较大的转换层随之升高相当于结构重心上移、刚心上移不利于抗震优化设计。

（7）各个构件的设计必须满足结构设计规范的各项抗震措施及抗震构造措施要求才能发挥结构的抗震性能要求。

四、结语

本文对梁式转换层框支剪力墙结构的地震反应分析进行了初步探讨，并重点对地震反应方法进行了研究，为以后梁式转换层框支剪力墙结构的地震反应的分析提供了贡献性的参考。

参考文献：

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[2]周锡元.抗震工程学[M].中国建筑工业出版社，2014.

[3]魏琏.不同高位转换层对高层建筑动力特性和地震作用影响的研究[J].建筑结构，2012.

[4]吕西林.转换层上下刚度比对框支剪力墙结构抗震性能的影响[J].结构工程师，2013.（1）.