框支剪力墙结构设计在高层建筑中的应用

王明琦

摘要：随着经济的飞速发展，人们的消费水平也随之增长。高层建筑越来越多的出现在人们的视野中。它的出现缓解了用地紧张的局面，大大节省了地面空间，且一般高层建筑都有地下室，可用来做地下车库或大型卖场。因此，一般的高层建筑的上部和下部采用不同结构的类型以满足上下层不同的建筑要求.结构转换层应运而生，解决了这种特殊的结构布置。框支剪力墙也被广泛应用于高层建筑中，本文从高层建筑的简介、转换层在高层建筑工程中的应用、抗震性能的探究这几方面着重研究了框支剪力墙结构设计在高层建筑工程中的重要性。

关键词：高层建筑；转换层；框支剪力墙；结构设计；抗震

前言

高层框支剪力墙结构是建筑结构中常见的一种形式。近年来，框支剪力墙结构已逐渐成为竖向不规则高层建筑中经常采用的一种满足建筑功能及美学要求的结构布置方式。由于框支剪力墙结构中竖向构件传力的不连续性，造成结构上部荷载不能直接传递给下部对应的竖向构件，只能通过转换构件的内力重分配，再向下传递，转换构件相当重要且受力非常复杂。因此，在结构设计过程中，除对整体结构进行计算分析外，还应对转换构件进行详细分析，以保证框支剪力墙结构能正常地、可靠地、有效地工作。

1高层建筑的简介

高层建筑可以说是衡量一个国家或者地区科技发达和经济繁荣的标志之一。2002年我国将高层建筑的最少层数统一为10层，世界上最高的高层已经达到110层，这是高层建筑不断发展以及人类智慧的最好体现。高层建筑将以往较单一的住宅和办公楼结合起来进行综合建筑发展，使得功能适应性、技术合性和经济可能性得到质的变化。但对高层建筑的结构设计以及性能要求也逐渐提高，结构所需的材料也开始转向轻质、新型、高强的复合方向发展。

2转换层在高层建筑工程中的应用

由于多功能以及综合用途的要求，从建筑的使用功能而言，通常将小开间设计在中上层，而大开间设置在高层建筑的下层部分。但从结构的合理布置来看，两者恰好相反，为了满足建筑功能的要求，就必须采用与常规相反的布置形式。在下层布置强度较弱的框架柱，上层布置刚度较大的剪力墙，而上下层这种结构的转变必须要设置转换构件衔接两种不同机构，并传递之间的内力，这一层就是转换层。本文将重点介绍由于上下层具有不用的结构从而通过转换层进行转换的剪力墙结构和框架一剪力墙结构。在此类型中，转换层将上部剪力墙转换为下部建筑的框架，为建筑的底部创造出一个较大的内部自由空间。转换层在高层建筑中的位置决定了高层建筑的抗震能力，其位置宜低不宜高。研究表明，转换层位置较高时，更容易使框支剪力墙结构在转换层附近的框支剪力墙结构上下内力传递路线发生突变，并且伴随着较大的刚度变化。另外，转换层位置越高，简体或落地剪力墙越容易受弯出现裂缝，从而使框支柱的内力增大，破坏转换层上部墙体，这与抗震设计理念之间存在冲突。在现行的国家标准《高层建筑混凝土结构技术规程》中规定：9度区不应采用；7度、8度地区可以采用，但限制大空间部分框支剪力墙结构转换层不宜超过3层；7度区不宜超过第5层；6度区其层数可适当增加，但不可过高。在必须采用高位转换的情况下，应严格控制转换层以下框支结构的等效刚度，即必须考虑剪切、弯曲和轴向变形的综合刚度。

3框支剪力墙结构的设计探究

框支剪力墙的结构要追溯到五六十年代由苏联和东欧的一些学者提出的下层为框架、上层为剪力墙的结构体系。结构中的部分剪力墙因建筑要求不能落地，直接落在下层框架粱上，再由框架梁将载荷传至框架柱上，这样的梁就叫框支梁，柱则叫框支柱，上面的墙就叫做框支剪力墙。由于其具有良好的建筑使用功能，如今已被广泛地应用到带有转换层的高层建筑结构中，并通过不断地工程实践和研究分析，已经形成了成套设计和施工工艺。下面从以下几个方面对框里剪力墙的结构设计进行探究。

3.1结构设计的要求

不同的工程概况和地基基础需要设计不同的框支剪力墙结构，不但要满足不同的建筑功能要求，还必须满足国家规范对这些结构的相关规定。一般的带有转换层的高层建筑，为满足不同的使用功能，转换层以上使用剪力墙结构，下层选择局部剪力墙结构。

（1）竖向结构的布置。由于竖向受力构件之间的转换容易造成高层建筑竖向刚度的突变，若受到地震作用，此处则成为抗震的薄弱环节，所以《高层建筑混凝土结构技术规程》中对框支剪力墙转换层的上下结构的等效刚度比有着严格的限制。在竖向结构布置中，应保证底部大空间具备合适的刚度、延性以及强度，一般从以下几点进行加强和改进。转换层的转换构件在传力过程中应该简单直接，应该尽量避免转换次梁以及水平方向的多级转换；处在框支剪力墙转换梁的上一层墙体以及中间支柱承受的垂直载荷较大，最好不要设计门洞；尽量强化转换层下部剪力墙以及框柱的刚度。

（2）平面结构的布置。平面结构应具有良好的整体性，遵循简单、规则并做到均匀对称。对于一些超长、超宽或者其他不规则平面结构一般要设置温度伸缩缝，不但可以具有整体性，还能兼作抗震缝。经过多年的研究分析，一些平面不规则、质量中心与结构的刚度中心偏差过大的高层建筑中，在地震中承受巨大的扭转作用力而受到严重破坏，所以设计过程中尽量使这两个中心重合。

（3）转换层构件布置。转换层既是上层结构的基础，又是下后结构的封顶，起到承上启下的作用。转换层的存在使得上下传力构件无法直接、连续的进行传递，所以在转换层上部的竖向抗侧力构件应直接落在转换层的主结构上，从而使水平转换结构传力直接，避免出现多级复杂转换。粱式转换结构在这方面就表现出良好的性能，并且具有成熟的模型仿真，但是由于框支主粱受到的作用力十分复杂，因此在设计时必须进行应力分析实验，并按应力校核结果配备加强筋构造。

3.2结构设计的要点以及计算分析

框支剪力墻结构是一种十分复杂的空间受力体系，极易形成各种薄弱部位，所以应使用合适的三维模型分析软件进行整体构造的详细分析。建立完成三维模型后，需要使用有限元分析软件对其进行有限元法的分析计算。分析结束后还要加以进行弹性时程分析法进行整体结构的补充计算。由于高层建筑的特殊特征，对于风载荷、雪载荷以及竖向载荷都要进行精确的计算分析，当然对于抗震能力的设计分析是结构设计的重中之重，它直接影响着整个建筑的使用寿命以及使用安全性。

4抗震性能的探究

由于框支剪力墙结构在受力方面的复杂性，使得抗震能力不甚理想，特别是在转换层下部以及相邻的楼层更容易受到破坏，所以对抗震性能的研究也面临着前所未有的挑战。将结构设计完毕后，根据不同的建筑施工工况进行多次抗震作用效应分析，对出现的抗震设计缺陷进行改进和完善，确保框支剪力墙结构在高层建筑中抗震系数满足各项要求。

5结语

尽管框支剪力墙在高层建筑中已经得到广泛的应用，并且也取得了前所未有的高度和成就，但是该结构复杂的受力特性使得在抗震性能上仍有许多可改进的地方。在对转换层进行设计构造时，应严格遵循本文中所提到的结构设计要求，特别是抗震概念要求，在转换层附近适当提高其构造等级要求，增强整体抗震能力，使得框支剪力墙结构能够更好地应用到高层建筑中去。