何青峰  王小慧

（中煤西安設計工程有限責任公司，西安710054）

    框支短肢剪力墻結構是為了滿足建筑功能需要而發展起來的一種新型的結構形式。它是將短肢剪力墻結構與框支剪力墻結構相結合的產物，由于短肢墻布置靈活，容易滿足建筑平面的要求，結構剛度又不致過大（與全剪力墻結構相比），因而受到建筑師和結構設計人員的青睞，在很多地方被廣泛使用。某工程地上23 層、地下2 層，建筑功能分別為：底層甲類核六級人防地下室，地下一層為庫房和設備用房，地上1、2層為商用輔助用房及生活配套服務用房，3層以上是住宅公寓；該工程剖面圖見如圖1，地下及地面1、2層層高為4.50米，其余層高為2.8米，建筑物總高度68.7米。標準層東西總長67.30m，南北總寬15.00m。室內外高差0.30m。建筑物的高寬比為4.6，長寬比為4.5。

    本高層的建筑安全等級為二級，結構設計使用年限為50 年。建筑的抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為7 度，設計地震分組為第一組，設計基本地震加速度為0.15g。場地類別為II類，場地特征周期為0.45s，底部加強區及框支框架的抗震等級為二級，非加強區抗震等級為三級。基本風壓為0.50KN/m²，地面粗糙度類別為B 類，基本雪壓為0.40kN/m²。

    本工程結構較為規則，底下二層商住用房層高較高，長寬比較大，在水平地震及風荷載作用下結構層質心和剛心偏心較大，導致扭轉效應明顯，考慮偶然偏心和雙向地震作用。對豎向不連續的承重構件，采用部分框支框架進行轉換。框支剪力墻結構以轉換層為分界,上下兩部分的內力分布規律是不同的。在上部樓層外荷載產生的水平力大體上按各片剪力墻的等效剛度比例分配；在下部樓層，由于框支柱與落地剪力墻間的剛度差異，水平剪力主要集中在落地剪力墻上，即在轉換層處荷載分配產生突變。轉換層樓板承擔著上下層剪力重分配的任務；并且由于轉換層樓板自身平面內受力很大、面內變形也很大，所以轉換層樓板必須有足夠的剛度作保證；轉換層樓板采用C40 混凝土，厚度180mm。為了協同轉換層樓板完成樓層剪力重分配，將轉換層上下層樓板也適當加強，取厚度150。對整體結構采用satwe進行三維建模分析計算；抗震計算中，考慮平扭耦聯計算結構的扭轉效應，振型數18，且應使振型參與質量不小于總質量的90％。按照《高規》^[3]3.3.3條運用PMSAP進行時程分析，彈性時程分析時輸入地震加速度最大值55cm/s²；初始試算后框支柱截面尺寸800x1000，框支梁截面為700x1400,混凝土強度等級為C45，鋼筋等級為HRB400級。結構分析的主要結果見表一。

 

    SATWE 和PMSAP 采用振型反應譜法計算水平地震作用, 計算結果基本吻合，指標基本滿足規范要求。最大層間位移角均滿足1/ 1000 ；考慮偶然偏心影響的地震作用下，樓層豎向構件的最大水平位移和層間位移，均小于樓層平均值的1.2，滿足規范要求。

 

    SATWE、PMSAP計算周期位移對比表         表一

	周期			樓層層間最大位移與層高之比
	第一振型	第二振型 (扭轉)	第三振型	X向地震	Y向地震	X雙向地震	Y雙向地震	X風荷載	Y風荷載
Satwe	1.5392	1.1901	1.0454	1/2505	1/1395	1/2504	1/1263	1/9999	1/2059
PMsap	1.5522	1.2071	1..0658	1/2487	1/1470	1/2482	1/1366	1/9885	1/1985
誤差	1%	1%	2%	1%	5%	1%	8%	1%	4%
T2/T1=0.7732<0.9 樓層層間最大位移與層高之比均<1/1000

 

    通過整體結構線彈性分析后，進行截面配筋設計。在框支轉換中，轉換構件不僅改變了上部剪力墻對豎向荷載的傳力路徑，而且將上部抗側剛度很大的剪力墻轉換為抗側剛度相對很小的框支柱，轉換層上下的側向剛度比很大，易形成結構軟弱層和薄弱層，引起地震剪力的劇烈變化，對結構的抗震極為不利；轉換部位受力比較復雜。以單片框支剪力墻的實腹轉換梁為例，在豎向荷載作用下，框支剪力墻轉換層的墻體有拱效應，兩支座處豎向應力大，同時有水平向應力(推力)，跨中則會出現拉應力。框支梁就像是拱的拉桿，在豎向荷載下除了有彎距、剪力外，還有軸向拉力。分析表明，無論轉換梁上部墻體的形式如何，只要墻體存在一定長度，轉換梁中的跨中彎矩就會較不考慮上部墻體作用的要小，相應墻體下的轉換梁就有一段范圍出現受拉區。拉力沿梁全長不均勻，跨中處大，支座處減小。

 

    根據《高規》10.1.5及10.2.10要求對局部部位的結構構件，通過有限元分析對其受力狀態進行分析和校核。取E軸一跨框支梁為例，梁截面600x1400，跨度8000mm，采用框支剪力墻有限元分析程序feq對框支梁、框支柱及相鄰墻體進行有限元分析。為節約機時間、提高運算效率，計算時取框支梁上部4層內樓層進行計算，根據圣維南原理，對框支梁的受力性能影響較小。

 

    框支梁上下樓層的x 向，y 向應力分布、剪應力應力分布分別如圖4 所示，可知σx 應力絕對值最大為9.8MPa，σy向應力絕對值最大為9.3MPa，σxy 絕對值最大為5.5MPa。混凝土材料符合多軸強度要求。

圖4 框支梁等應力分布（kPa）

 

    框支梁是轉換層中最重要的傳力構件之一，通過它將上部剪力墻荷載傳遞給下部框支柱。框支梁在多數情況下屬于偏心受拉構件，同時還承受較大的剪力。如遇梁上墻體開洞位置靠近梁端部，應力集中問題尤為突出；框支梁不僅應同時滿足規范對框架梁和框支梁的截面、配筋、配箍要求， 還要通過箍筋加密或梁端加腋等方法加強其抗剪能力。在設計時應留有較多的安全儲備，二級抗震等級的框支梁縱筋配筋率不得小于0. 40 %；應配置足夠數量的腰筋，腰筋采用D16 ，沿梁高間距不大于200mm ,并且可靠錨入支座內。框支梁受剪很大,而且對于這樣的抗震重要部位,更應強調“強剪弱彎”原則,在縱筋已有一定富余的情況下,箍筋更應加強。箍筋不小于Ф12 @100 四肢箍全長加密，配箍率0. 75 %，滿足高規框支梁面積含箍率不小于1. 1 ft/ fyv的要求。經計算，梁的底部受力縱筋為14D25，梁的上部受力縱筋為10D25，抗扭縱筋為10D16，箍筋為12@100（6）。

 

    同時本工程從抗震及框支梁抗剪角度對框支梁端部加腋處理，腋角500x250；加腋使轉換梁在支座區段的抗剪承載力明顯增強，因而可有效減小轉換梁的截面高度，同時也可防止轉換梁剛度過大，避免轉換結構中出現梁剛度接近甚至超過柱剛度而形成不利于抗震的結構形式。

 

     框支短肢剪力墻結構因其實用性和布置靈活，將會被廣泛的應用于以后的實際工程。文中所述的框支短肢剪力墻屬于重要的豎向承重構件，受力典型。通過分析計算和討論，可以得出如下結論：

 

    (1)對于復雜高層建筑結構體系, 結構概念設計尤為重要；該工程框支框架的

受力較為復雜，通過分析，其設計合理，安全可靠。

    (2)加強轉換層及其下部結構剛度，要求轉換層及其上下樓層層剛度基本均勻；應盡量強化和提高轉換層以及下部結構抗震承載能力。

    (3) 對重要部位和關鍵構件, 應進行必要有效的局部應力分析, 采取相應的處理措施。采用有限元法分析轉換梁及上部墻體的內力、應力, 以此作為設計轉換梁和上部墻體的依據。

    (4) 框支梁加腋使梁端塑性鉸的位置發生了變化，梁端出現塑性鉸的位置從梁上靠近柱邊的位置向跨中偏移，更易實現“強柱弱梁，強剪弱彎”的抗震設計原則。

 

[1] 鐘樹生,祁勇,倪忠,加腋梁式框支短肢剪力墻轉換結構試驗研究[J].重慶建筑大學學報，2007,29（6）.

[2] 沈朝勇,羅學海,黃襄云,陳建秋，金建敏.高層建筑轉換層結構的研究現狀及發展方向[J].四川建筑科學研究，2010,36（2）.

[3] JGJ3—2002高層建筑混凝土結構技術規程[S]．北京：中國建筑工業出版社，2002.

[4] GB50010—2002 混凝土結構設計規范[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2002.

 

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)