浅析高层框剪力墙转换层结构设计

摘要:文章以某高层商住楼为例,分析了高层框支剪力墙转换层结构和梁式转换结构设计特点、结构布置、构造处理以及应注意的问题。

关键词:框支剪力墙结构;概念设计;剪刀墙转换层

中图分类号:TV397文献标识码:A

文章编号:1674-1145(2009)23-0149-02

随着我国城市化建设不断发展,城市的商业用地日趋紧张。因此,高层建筑向多功能、综合用途的方向发展已成为趋势,往往将大空间、大柱网的购物商场、餐厅、娱乐设施等功能于高层建筑的下部,而将小开间、小柱网的住宅、公寓、旅馆、办公室等设于中、上部。然而,对此类建筑进行结构布置时,恰恰与正常合理的结构竖向构件布置产生了矛盾,为了满足建筑功能的实现,对此类建筑的结构设计必须在上下不同结构体系的楼层设计转换层。

转换层的结构形式根据平面功能的布置形式,通常有梁、双向梁、箱形梁板、衍架、空腹析架和板式转换层等。在实际应用中,梁式转换层应用最为广泛,其受力明确,传力清楚,转换梁工作可靠,构造简单,施工方便,结构计算、设计也相对容易。

一、工程简述及结构方案布置

某高层商住楼,地上3层商业用房,27层住宅,剪力墙结构;地下为1层车库。其中地上1~3层为商业用房,1~2层高4.5m,3层为转换层,层高6m;3层以上为住宅,层高均为3.0m。室外地坪以上主体高度为96.45m。设计计算采用中国建筑科学研究院编制的2005版PKPM-SATWE程序进行,抗震设防6度,地震基本加速度值为0.05g,设计特征周期值为0.35s,100年一遇基本风压为0.9kN/m2。

根据建筑平面布置,上部住宅多为小户型,每层户型达到11户,且面积均不相同。建筑底部3层为商业用房,建筑功能要求大空间大柱跨,在结构布置时,采用框支剪力墙体系,在电梯井道、楼梯间、建筑四周等部位的能落地的墙要全部利用,原则是尽可能减少需结构转换的竖向构件,缩短传力途径,次梁转换应尽量减少。

二、结构抗震等级的确定

本工程在转换层以下为框架—剪力墙结构,转换层以上为纯剪力墙结构,根据高规,本工程属于“框支剪力墙”,高度96.45,6度设防,框支框架抗震等级为二级,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。由于本工程转换层设在建筑4层楼面,已属于“高位转换”,根据《高规》10.2.5条“对部分框支剪力墙结构,当转换层的位置设置在3层及3层以上时,其框支柱、剪力墙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的规定提高一级采用”,框支柱及底部加强部位剪力墙的抗等级应提高一级,即均为一级。由于剪力墙底部加强区包含了框支层以上两层,所以框支层以上两层抗震等级也为一级。

三、结构计算及设计

本工程采用SATWE软件计算,SATWE采用墙元模拟计算剪力墙,能较好地模拟上部墙和框支梁的共同作用、实际受力状态。根据经验初步先确定转换梁截面,进行结构整体计算后,得到转换梁所受设计剪力后,按照不大于0.15fcbh/0.85校核截面尺寸。本工程转换层的层高为6m,转换梁的最大跨度为9m,转换梁截面尺寸为(800~1200mm)×(1600~2200mm)。梁宽度不小于上部墙体厚度的两倍,梁高度大于梁跨度的1/6,均满足要求。经计算调整,SATWE计算结果如下:

1.自振周期:第一扭转周期为1.9599,第一平动周期为2.8422,周期比为0.689<0.85,满足规范要求。

2.位移比及层间位移角。本工程最大位移比在Y+5%偶然偏心地震力作用下出现,其值为1.30,位移比小于1.4;最大位移角为X向风荷载作用下:1/1256;均满足规范要求。

3.刚度比及受剪承载力。根据《高规》要求,楼层侧向刚度不宜小于上部相邻楼层的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%。转换层所在层号4;X方向刚度比=1.1227,Y方向刚度比=1.0852,其它层刚度比也均大于1,符合规范要求。

根据《高规》要求,楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力的80%,不应小于上一层受剪承载力的65%;转换层所在层号4:X方向受剪承载力之比= 1.67,Y方向受剪承载力之比=1.55,其他层受剪承载力之比也均大于0.9,均满足规范的要求。

4.参与振动质量比(即有效质量系数)。震型数取了18个,X方向的有效质量系数为94.13%,Y方向的有效质量系数为94.55%,均满足规范要求。

在SATWE的计算结果出来后,仔细核对框支梁的剪力,验算剪压比是否满足要求,并对上部剪力墙的内力进行检查,核实是否准确传递至框支梁。

采用PMSAP软件进行复核,结构自振周期计算如下:

经过对比,SATWE与PMSAP的计算结果较为接近,均在现行规范及以往工程经验合理值范围内,因此SATWE的计算结果可作为配筋依据。

四、其他构造加强措施

本工程框支梁承受上部27层楼传下的内力,受力巨大、情况复杂,是一个复杂的受力构件,因此设计时应留有一定的富余储备。框支梁受剪很大,必须遵循“强剪弱弯”的原则,所以箍筋也要留有富余,本工程梁砼强度等级为C50,有利于框支梁提高抗剪承载力;在结构设计中次梁转换是不可避免的,尤其是当上部偏心荷载较大时,框支主梁受到的扭矩作用也越大,为减少框支主梁的受到的扭矩,将次梁的截面尺寸适当加大,使次梁端负弯矩变得更小,以减小主梁内的扭矩;由于转换梁与上部剪力墙共同作用,转换梁内有轴力存在,所以也要适当加大腰筋的配筋率。

转换层以上结构上部的水平剪力通过转换层传到下部结构,转换层楼面在其平面内受力很大,楼板变形显著,为保证转换层楼板有一定刚度,同时也有利于转换层在其平面内进行剪力重分配,本工程将转换层的楼板厚度加大到250mm,板混凝土强度等级与梁同为C50,这样不仅增大了楼板平面内刚度,也加强了转换梁的侧向刚度和抗扭能力,采用双向双排钢筋网,每排钢筋的配筋率> 0. 25%。转换层相邻层均加大楼板厚度至150mm。

五、结语

通过转换层高层建筑实例设计实践得出:首先要注重概念设计,即设计人员要概念明确,思路清晰;其次,对计算分析工具要完全掌握,对其计算结果要认真分析比较,使结构方案更趋于合理、完善;再者,框支剪力墙结构是抗震不利的结构体系,转换层结构构件十分重要,对于框支梁、框支柱应留有一定的富余储备。

参考文献

[1]章斌全.框支剪力墙转换层结构设计探索[J].工程建设与设计,2003,(2).

[2]娄宇,魏琏,丁大钧.梁式转换层设计中的一些问题的探讨[J].四川建筑科学研究,1996,(1).

[3]唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工[M].北京:中国建筑工业出版,2007.

作者简介:陈冠成(1980- ),男,广西电力工业勘察设计研究院结构设计师。