浅谈住宅楼框支剪力墙结构设计

吕庆阳

洛阳有色金属加工设计研究院，河南 洛阳 471039

0 引言

部分框支剪力墙结构是由落地剪力墙或剪力墙筒体和框支柱组成的协同工作结构体系。这类结构类型由于底部几层有较大的空间，能适用于各种建筑的使用功能要求。因此，广泛应用于底层为商店、餐厅、车库、机房，上部为住宅、公寓、饭店、综合楼等高层建筑。但是，这种结构在受力上也有明显的缺点：传力不直接，结构竖向刚度变化很大，甚至是突变，地震作用下易形成结构薄弱层，加上构造复杂，给结构设计带来较大难度。为了满足建筑功能的要求，结构必须设置转换层进行结构转换柱下部大空间框支剪力墙结构可以在建筑物下部形成一层或多层的大空间，通过结构转换层，用框架柱代替剪力墙以满足建筑功能的要求。

1 工程简介

建业洛阳森林半岛住宅小区27号住宅楼建于洛南新区，英才路与北苑路之间。该楼建筑面积12980m2，其中人防地下室1层，层高4.6m，裙房2层，层高分别为5.1m，5.4m，3层以上为住宅，层高为3.0m。地面以上共19层，总高 61.8m。地面以上1、2层为商业用房，需要尽可能大的自由灵活空间，3层以上为住宅。因此，结构体系采用部分框支剪力墙结构，于第2层顶（即第3层楼面）设置梁式转换层，采用主次梁转换方案。转换层及标准层平面布置见图1、图2。

图1 转换层结构平面图

图2 标准层结构平面图

设计时采用基本参数：基本风压为0.45kN/m2，基本雪压为0.35kN/m2，地面粗糙度为B类，抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为0.10g，拟建场地为Ⅱ类场地土。主要构件尺寸，框支层落地剪力墙厚度350mm，框支柱一般为800mm×800mm的方柱，最大框支柱800mm×1200mm,框支次梁500mm×1000mm,框支主梁600mm×1500mm，800mm×1500mm，标准层剪力墙厚度200mm。

2 概念设计与结构布置

本工程转换层以下为框架剪力墙结构，转换层以上为剪力墙结构，本工程底部加强部位剪力墙及框支柱抗震等级为二级，非底部加强部位剪力墙抗震等级为三级。设计时从以下几个方面做为概念设计的出发点。

2.1 平面布置

平面布置应力求简单、规则、均衡对称，尽量使荷载与结构刚度中心重合，以避免或减少扭转产生的不利影响。本工程在楼梯间及电梯间较薄弱处，均布置有落地剪力墙并形成了落地筒体，在建筑物两侧也设置了落地剪力墙，并在横向布置有间距10.4m的落地剪力墙。墙体布置既分散又均匀。

2.2 竖向布置

竖向布置主要是要控制转换层上、下刚度的突变，应尽量强化转换层下部的结构侧向刚度，弱化转换层上部的结构侧向刚度，使转换层上下部的结构侧向刚度及变形特征尽量接近。经过反复调整转换层上下剪力墙布置及落地剪力墙的厚度，本工程最终计算结果，X方向转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比为0.80，Y方向转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比为0.95，均满足规范要求，且转换层上下部的结构的等效侧向刚度基本接近，能够有效的缓解构件内力和变形的突变。

2.3 转换构件选择及布置

转换层是建筑物中不同结构形式相连的关键点，它既是下部结构的封顶，又是上部结构的“空中基础”，在整个建筑结构体系中起着至关重要的连接纽带作用。由于结构竖向传力构件的不连续，造成结构上部荷载不能直接传给下部对应构件，而是通过转换结构的内力重分配，再向下传递。因此，转换构件相当重要而且受力比较复杂，必须保证转换结构可靠有效的工作。因此，在布置转换层上下主体竖向结构时，要注意尽可能使水平转换结构传力直接，转换层上部的竖向抗侧力构件（墙、柱）宜直接落在转换层的主结构上，尽量避免多级复杂转换。梁式转换受力明确，传力简洁，计算模型简单，计算软件比较成熟，而且施工方便，因此本工程设计采用梁式转换，并且因受建筑功能限制，转换层为主次梁转换方案。这种方案由框支主梁承托剪力墙并承托转换次梁及次梁上的剪力墙，其传力途径多次转换，受力复杂。框支主梁除承受其上部剪力墙的作用外，还需承受转换次梁传给的剪力、扭矩和弯矩，并且框支主梁易发生剪切破坏。故设计时应对框支梁进行应力分析，按应力校核配筋，并加强配筋构造措施。为避免框支梁上部剪力墙对框支梁产生不利的扭转影响，平面布置时剪力墙截面中心线应与框支梁截面中心线对齐，与框支柱截面中心重合。框支层周围楼板取消了原有错层布置。

3 计算要点

3.1 一般规定

部分框支剪力墙结构是复杂的三维空间受力体系，竖向刚度变化大，受力复杂，易形成薄弱部位。其内力和位移应能符合下列要求，根据结构实际情况，确定较能反映结构中各构件的实际受力状况的力学模型，选择合适的三维空间分析软件进行整体分析，在此基础上采用有限元方法对转换层结构进行局部补充计算，取得详细的应力分布，决定框支梁、柱和附近墙体内的配筋，平面有限元分析的范围应为底层框架和框支层以上3～4层墙体。抗震计算时，宜考虑平扭耦连计算结构的扭转效应，依据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）第5.2.2条条文说明规定“振型个数一般可以取振型参与质量达到总质量的90%所需的振型数”。计算地震力时振型数应适当增加，不宜少于15个。本工程整体结构计算时采用中国建筑科学研究院研制开发的PKPM系列结构计算软件 SATWE程序进行计算，TAT程序进行了校核。SATWE 采用墙元模拟剪力墙，不仅有墙所在的平面内刚度，也具有平面外刚度，可以较好的模拟工程中剪力墙的实际受力状态，对楼板以弹性楼板单元来描述，可以较准确的算出楼板变形对梁、柱、墙的影响。TAT采用空间杆系计算梁柱等杆件，采用薄壁柱原理计算剪力墙。二者均适用于计算平面和立面体型复杂的结构形式，真实地反映结构的受力性能。计算时，选取耦连，振型数为15，最终分析结果见表1。

表1 SATWE和TAT计算结果比较

由SATWE和TAT计算结果比较分析得出：

l） SATWE和TAT两种软件计算结果比较接近，可以相互参考；2）两者计算的剪力重力比都在2%左右，说明地震作用计算适当；3）两计算结果均未发现较大的扭转作用，结构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小于0.85。说明结构平面布置合理，质心和刚心吻合较好；4）转换层上下刚度比在1左右，表明转换后过渡平稳，同时上部结构无明显薄弱层，说明结构竖向布置匀称，刚度变化适度；5）最大层间位移角为1/1255，满足规范要求，位移控制较好。

对框支梁、框支柱及其上部3层的剪力墙采用中国建筑科学研究院研制开发的FEQ计算软件进行了有限元分析，研究框支转换梁与剪力墙共同工作的应力分布，并对应有限元分析结果调整框支梁、框支柱及其剪力墙的配筋。

3.2 内力调整

计算分析表明，部分框支剪力墙结构转换层以上部分，水平力大体上按各片剪力墙的等效刚度比例分配，在转换层以下，一般落地墙的刚度远远大于框支柱，落地剪力墙几乎承受全部地震作用，框支柱的剪力非常小。但在实际工程中，转换层楼面会有显著的面内变形，从而使框支柱的剪力显著增加。12层底层大空间剪力墙住宅模型试验表明：实测框支柱的剪力为按楼板刚性无限大计算值的6～8倍，且落地剪力墙出现裂缝后刚度下降，也导致框支柱剪力增加。所以，内力分析后，应根据转换层位置的不同，框支柱数目的多少，对框支柱及落地剪力墙的剪力做相应的调整，底层落地剪力墙承担该层全部剪力，当底层柱多于10根时，底层框支柱应承担20%～30%的底层剪力。框支柱剪力调整后，应相应调整框支柱的弯矩及柱端梁（不包括框支梁）的剪力、弯矩，框支柱的轴力可不调整。由于转换层上部的楼层，其侧向刚度较大，故结构的1、2层不满足“小于相邻上部楼层侧向刚度的70%，及不宜小于其上相邻3层侧向刚度平均值的80%”的要求，所以1、2层均为薄弱层，将地震力均放大1.15倍参与结构内力分析计算。

3.3 构件的配筋计算

框支梁承载很大且受力情况复杂，其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，是一个很重要的受力构件。框支梁应按偏心受拉构件进行承载力及变形计算。框支主梁承托转换次梁及其上抗震墙时，应将传递给水平转换构件的地震内力乘以1.25～1.5的增大系数后进行应力分析，按应力校核配筋，并加强配筋构造措施。设计中按应力分析结果校核框支梁配筋后，对框支梁纵筋采用Ⅲ级钢，混凝土采用C40，框支梁箍筋全长加密，沿梁高配置有直径Ф16的腰筋，梁纵向钢筋采用机械连接，采取以上措施使框支梁这个复杂而重要的受力构件的结构安全更有保障。

框支柱是转换梁的支撑构件，其上作用的荷载比较大，而且，往往转换梁的刚度比框支柱大得多，为保证结构破坏不出现柱铰机构的不利破坏形态，必须保证框支柱具有足够的延性和变形能力，以耗散地震能量，减轻震害，因此，应严格控制框支柱的轴压比，设计时控制框支柱的轴压比小于0.7，体积配箍特征值应比规范规定框架柱数值增加0.02，且配箍率不应小于1.5%，柱箍筋全高加密，柱纵向钢筋全部采用机械连接。

4 构造措施

表2 混凝土强度等级表

1）本工程采用的混凝土强度等级见表2，均满足规范要求。

2）转换层楼板作为重要的传力构件，承担着完成上下部分剪力重分配的任务，作用不可忽视，因此必须有足够的刚度保证。设计时采用180mm厚现浇混凝土楼板，配筋为Ф12@150双层双向，每个方向的配筋率均为0.42%，大于规范规定的0.25%的要求。同时，与转换层相邻楼层的楼板均予以加强，转换层以下楼板的厚度为150mm厚，配筋为Ф12@150双层双向,转换层以上楼板的厚度为150mm厚，配筋为Ф10@150双层双向。

3）底部带转换层的高层建筑结构，其剪力墙底部加强部位的高度可取框支层加上框支层以上两层的高度及墙肢总高度的1/8二者的较大值，本工程剪力墙底部加强部位取框支层加上框支层以上两层的高度，即基顶～18.170，墙体两端设有翼墙或端柱，并按《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）设置有约束边缘构件，框支层以下落地剪力墙厚度350mm，配筋Ф12@200，配筋率大于0.3%，框支层以上底部加强部位剪力墙配筋为Ф10@200，已适当加强。

4）由于转角窗的存在，局部整体性有较大的削弱，对结构整体抗扭不利，故采取以下加强措施：将双向悬挑边梁截面高度加高以增加连梁刚度，房间楼板加厚至130mm，并且在转角剪力墙之间设置200×130的暗梁，形成配筋拉结板带，以增加局部整体性。

5 结论

通过对建业洛阳森林半岛住宅小区27号住宅楼框支剪力墙结构设计，总结出：

1）对于复杂结构体系，必须认真做好概念设计工作，分析结构特点和难点，尽可能做到受力明确，传力直接。找出简洁可靠的结构处理方式，做出总体结构布置；

2）总体结构计算的结果应当是对总体概念设计的量化和证实，因此，结构计算的模型应能较好的反映结构的实际工作状态；

3）对重要部位和关键构件，应进行必要的局部分析，采取相应的处理措施，注意其构件设计的特殊性，以保证其安全度。

[1]高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2002.

[2]建筑抗震设计规范GB50011-2001.

[3]张维斌.多层及高层钢筋混凝土结构设计释疑及工程实例[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.