某综合楼建筑框支剪力墙结构设计分析
关键词:结构框支剪力，概念设计，墙转换层
1.前言
本文介绍了某高层综合楼框支剪力墙结构的设计，包括结构概念设计、结构选型、抗震等级确定、结构布置、结构三维整体分析和转换构件的构造要求等，其中，梁式转换层是目前高层建筑中实现垂直转换最常用的结构形式。
2.工程概况
本高层综合楼，由裙楼及1幢高层塔楼组成。由于城市规划及场地限制，塔楼偏向地盘西侧。该工程地下3层，地上26层。其中地下室层高4.8m，布置设备用房及公共机动车泊位，地下2层、3层设六级人防。地上1～3层为商业用房，层高4.5m，安装有集中空调及消防系统;第4层为转换层，层高5.7m;4层以上为剪墙结构住宅。住宅除第24层层高为4.2m外，均为3.0m层高。31层以上为机房，室外地坪以上主体高度为98.70m，建筑总高度（至机房顶）为103.20m。
该工程拟建场地为缓坡地形，由西南向东北倾斜，根据地质资料，场地及其附近未有活动断裂带或深大的活动断裂带通过，场地地层构造及地形稳定，属抗震有利地段。该工程采用中国建筑科学研究院编制的2005版PKPM-SATWE程序进行设计计算，地震基本加速度值为0.05g，设计特征周期值为0.35s，属稳定建筑场地。该工程按地震烈度6度设防。基本风压为0.35kN/m2，设计风压值0.40kN/m2。
3.结构方案及布置
该高层住宅楼每层有10户，每户户型及面积均不相同，为充分争取有效建筑面积，经多方论证，决定采用大开间剪力墙结构。底部3层为商业用房，为满足大空间建筑功能要求，采用框支剪力墙结构体系。框支剪力墙体系是一种受力复杂、不利于抗震的结构，在结构总体设计时一般应遵循以下原则:减少转换次数，缩短传力途径。
该工程重点解决两个方面的问题。第一，为保证结构沿竖向刚度均匀变化，应设法争取尽可能多的上下贯通构件。结合电梯井道、消防楼梯间及电梯厅，布置了一个中央核心筒;另外，又根据塔楼四角剪力墙分布情况，在底部裙楼对应部位设置了落地贯通的L型加厚角墙。第二，合理布置裙楼柱网，使不落地剪力墙直接通过转换层托梁。
4.梁式转换层的结构设计要点
4.1抗震等级的确定
工程转换层以下为框架—剪力墙结构，转换层以上为纯剪力墙结构，是多种结构形式共存的复杂高层建筑，因而不能像单纯的框架结构或者剪力墙结构那样笼统地确定抗震等级，而应该严格按照现行规范的不同章节，有针对性地分别确定结构体系各部位不同结构构件的抗震等级。该工程属“框支剪力墙”，高度98.7m，6度设防，框支框架等级为二级，剪力墙底部加强部位为二级，非底部加强部位剪力墙为三级;由于工程转换层设在建筑4层楼面，属于高位转换，“当转换层位置设在三层及三层以上时，其框支柱、剪力底部加强部位的抗震等级尚宜按本规程表4.8.2和表4.8.3的规定提高一级”，故该工程框支柱应定为一级，剪力墙底部加强部位定为一级。
4.2结构竖向布置
高层建筑的侧向刚度宜下大上小，且应避免刚度突变。然而带转换层的结构显然有悖于此，对该工程而言，属于高位转换，转换层上下等效侧向刚度比宜接近于1，不应大于1.3。在设计过程中，应把握的原则归纳起来就是要强化下部，弱化上部，尽量避免出现薄弱层。
可采用的方法有以下几种。
（1）使尽可能多的剪力墙落地，必要时甚至可以在底部增设部分剪力墙（不伸上去）。这是增大底部刚度最有效的方法。除核心筒部分剪力墙在底部必须设置外，让两侧各有一片剪力墙落地，并且北部还有一大片L型剪力墙也落至基础。这些都大大增强了底部刚度。
（2）加大底部剪力墙厚度，减小上部剪力墙厚度，转换层以下剪力墙厚度区为400mm厚，上部厚度取为200mm。
（3）底部剪力墙尽量不开洞或开小洞，以免刚度削弱太多。
（4）提高底部柱、墙混凝土强度等级，采用C55混凝土。
4.3结构平面布局
工程底部为框架－剪力墙结构，体形复杂，不规则;转换层上部为纯剪力墙结构，由于建筑布置的不对称，剪力墙的布置须经多次试算，最后结果是质量中心与刚度中心偏差不超过1m，结构偏心率较小。除核心筒外，其余剪力墙布置分散、均匀;且尽量沿周边布置，以增强抗扭效果，查阅计算结果，扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比为0.75，各层最大水平位移与层间位移比值不大于1.4，均满足平面布置及控制扭转的要求。可见工程平面布局规则合理，抗扭效果良好。
5.结构计算和分析
结构整体分析采用SATWE软件并用PMSAP软件进行复核。SATWE采用三维壳元有限元模型，PMSAP采用墙元及杆元模型，结构自振周期计算结构如下:
SATWE结果:
考虑扭转耦联时的振动周期（秒）、X,Y方向的平动系数、扭转系数（表1）。
PMSAP结果:
周期及振型方向（表2）,SATWE和PMSAP的计算结果均在现行规范及工程经验合理值范围内，说明结构总体布置比较合理。另外，还对受力比较复杂的部位如转换梁进行应力分析，并按应力进行配筋设计校核。应力分析采用高精度平面有限元软件FEQ进行，分析时应注意以下几点:
（1）只能分析主梁承托的框支榀;
（2）在截取计算榀时，最好全轴线截取，以减少整体分析时的误差;
（3）在截取层数时，一般取框支层以上3层;
（4）转换层结构的整体分析，应选用墙元、壳元模型（SATWE），这样FEQ在传递荷载时更准确;
（5）FEQ主要计算框支托梁配筋、剪力墙加强部位的配筋，其他部位、构件的配筋应参考整体分析的结果。经校核，该工程FEQ的框支梁底筋计算结果大部分都小于SATWE整体结算的结果，部分箍筋的有限元计算值大于SATWE计算结果。
6.1框支柱
框支柱截面尺寸主要由轴压比控制并满足剪压比要求。为保证框支柱具有足够延性，对其轴压比应严格控制。该工程框支柱抗震等级为一级，轴压比不得大于0.6，对于部分因截面尺寸较大而形成的短柱，不得大于0.55。柱截面延性还与配箍率有密切关系，因而框支柱的配箍率也比一般框架柱大得多。箍筋不得小于Φ10@100，全长加密，且配箍率不得小于1.5%。在工程中，个别框支柱还兼作剪力墙端柱，所以还应满足约束边缘构件配箍特征值不小于0.2的要求，折算成配箍率（C55混凝土）即为1.82%。框支柱为非常重要的构件，为增大安全性，对柱端剪力及柱端弯矩均要乘以相应的增大系数，每层框支柱承受剪力之和应取基底剪力的30%。因为程序计算时，一般假定楼板刚度无限大，水平剪力按竖向构件的刚度分配，底部剪力墙刚度远大于框支柱，使得框支柱剪力非常小。然而考虑到实际工程中楼板的变形以及剪力墙出现裂缝后刚度的下降，框支柱剪力会增加。因而对框支柱的剪力增大作了单独规定。另外，为了加强转换层上下连接，框支柱上部墙体范围内的纵筋应伸入上部墙体内一层;其余在墙体范围的纵筋则水平锚入转换层梁板内，满足锚固要求LaE。
6.2框支梁
框支梁截面尺寸一般由剪压比控制，宽度不小于其墙上厚度的2倍，且不小于400mm;高度不小于计算跨度的1/6。工程框支梁宽度为700～800mm。框支梁受力巨大且受力情况复杂，它不但是上下层荷载的传输枢纽，也是保证框支剪力墙抗震性能的关键部位，是一个复杂而重要的受力构件，因而在设计时应留有较多的安全储，一级抗震等级的框支梁纵筋配筋率不得小于0.5%。框支柱在满足计算要求下，配筋率不得小于0.8%。框支梁一般为偏心受拉构件，梁中有轴力存在，因此应配置足够数量的腰筋，腰筋采用Φ18，沿梁高间距不大于200mm，并且应可靠锚入支座内，框支梁受剪很大，而且对于这样的抗震重要部位，更应强调“强剪弱弯”原则，在纵筋已有一定富余的情况下，箍筋更应加强，箍筋采用Φ16@100六肢箍全长加密，配箍率达到1.18%。
6.3转换层楼板
框支剪力墙结构以转换层为分界，上下两部分的内力分布规律是不同的。在上部楼层，外荷载产生的水平力大体上按各片剪力墙的等效刚度比例分配;而在下部楼层，由于框支柱与落地剪力墙间的刚度差异，水平剪力主要集中在落地剪力墙上，即在转换层处荷载分配产生突变。转换层楼板承担着完成上下部分剪力重分配的任务;并且由于转换层楼板必须有足够的刚度保证。转换层楼板采用C40的混凝土，厚度200mm。Φ12@150钢筋双层双向整板拉通，配筋率达到0.41%。另外，为了协助转换层楼板完成剪力重分配，将该层以上及以下各一层楼板也适当加强，均取厚度150mm。
7.几点设计体会
（1）在结构方案设计阶段，应对结构体系的特点有清醒的认识，有针对性的对结构薄弱层、薄弱部位及由于建筑设计方案可能带来的抗风抗震设计缺陷有宏观的把握。
（2）框支剪力墙结构是抗震不利的结构体系。设计重点应放在转换层。当转换层位置较高时应加强底部框支层的等效刚度，防止底部位移突变。
（3）转换梁的受力状态与上部墙体分布形式及梁支座约束情况有关。当转换梁与上部剪力墙共同工作支座约束较强时，梁为偏心受拉构件;对于梁抬柱或抬小墙肢情况，转换梁可以为全跨偏心受压。
