柳鑫

（貴州省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 貴州貴陽 550001）

框支剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究

柳鑫

（貴州省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 貴州貴陽 550001）

近些年，框支剪力墻結(jié)構(gòu)被廣泛用于建筑項(xiàng)目中，如：酒店、餐廳、車庫、機(jī)房。但是，框支剪力墻也有明顯的缺點(diǎn)，例如：向下傳力不直接、結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度變化比較大以及地震作用導(dǎo)致構(gòu)件應(yīng)力集中。本文即針對(duì)框支剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了具體的探討。

框支剪力墻結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；工程概況

引言

自20世紀(jì)80年代以來，我國(guó)建筑行業(yè)發(fā)展勢(shì)頭不容小覷，體型復(fù)雜、功能多樣的綜合性建筑愈加多見。由于建筑功能的需要，框支剪力墻結(jié)構(gòu)在高層建筑結(jié)構(gòu)中大量應(yīng)用。框支剪力墻結(jié)構(gòu)上部作為住宅、寫字樓，下部用作商業(yè)設(shè)施具有優(yōu)越的使用功能，但這種結(jié)構(gòu)形式一般底部剛度較小，容易形成薄弱層，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震不利，因此加強(qiáng)框支剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 工程概況

本工程為某高層框支剪力墻結(jié)構(gòu)建筑，其分為A塔和B塔兩棟塔樓，塔樓間利用防震縫分開，其均為半地下室1層，地上12層的高層獨(dú)棟塔樓，總高度為43.5m。以A塔為例，半地下室層高為5.1m，首層層高為6.0m，二層層高為4.1m，其余層高為3.6m。轉(zhuǎn)換層位于二層樓面。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

本工程的設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí)?？拐鹪O(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度，設(shè)計(jì)地震基本加速度為0.1G，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類?；撅L(fēng)壓按50年重現(xiàn)期的風(fēng)壓值W0=0.30kN/m2，地面粗糙度類別為A類?？拐鸬燃?jí)詳見表1。

表1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震等級(jí)

3 框支剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)布置

本工程A塔高度為43.5m，半地下室，地面以上12層。塔樓標(biāo)準(zhǔn)層層高為3.6m，屋面構(gòu)架層高2.9m，框支層層高為6.0m，半地下室層高為5.1m。采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系，根據(jù)建筑使用功能的要求，在二層做轉(zhuǎn)換層。剪力墻截面沿高度變化，厚度為200～700mm；框支柱截面為1200mm×1200mm；轉(zhuǎn)換梁截面為1200mm×2200mm、1200mm×2000mm、1000mm×2200mm、800mm× 2000mm、800mm×1800mm。豎向構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30～C50；梁、板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30、C40、C50。樓蓋采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板式結(jié)構(gòu)，塔樓標(biāo)準(zhǔn)層的板厚為100mm、120mm。將與轉(zhuǎn)換層相鄰樓層的樓板加強(qiáng)，首層板厚為180mm，二層（轉(zhuǎn)換層）板厚為180mm，三層板厚為120mm，有利于傳遞水平力及提高轉(zhuǎn)換層的整體性。如圖1即為結(jié)構(gòu)整體模型。

圖1 結(jié)構(gòu)整體模型

3.2 結(jié)構(gòu)整體彈性分析

在MIDAS分析程序中，梁和框支柱（框架柱）采用梁?jiǎn)卧?，板采用板單元，剪力墻采用墻單元。本工程采用SATWE和MIDAS程序進(jìn)行多遇地震作用下的整體內(nèi)力和位移計(jì)算，結(jié)構(gòu)計(jì)算的嵌固端在基礎(chǔ)面，分析結(jié)果見表2。

表2 SATWE和MIDAS分析結(jié)果對(duì)比

3.3 彈性時(shí)程分析

按規(guī)范要求，Ⅵ度抗震設(shè)防的帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)采用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算。本文采用SATWE程序進(jìn)行多遇地震下的彈性動(dòng)力時(shí)程分析。按地震波三要素（頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時(shí)間），SATWE選?、蝾悎?chǎng)地上兩組實(shí)際地震記錄天然波1（TH2TG035）和天然波2（TH4TG035）和一組人工波（RH1TG035）進(jìn)行彈性時(shí)程分析。圖2和圖3分別是彈性時(shí)程分析得到的層間位移角和樓層剪力圖。反應(yīng)譜與時(shí)程分析基底剪力結(jié)果比較見表3。

圖2 地震波作用下層間位移角

圖3 地震波作用下樓層剪力

表3 反應(yīng)譜與時(shí)程分析基底剪力結(jié)果比較（單位：kN）

由圖2可看出，結(jié)構(gòu)在天然波1（TH2TG035）作用下的X向?qū)娱g位移角最大值為0.001，與規(guī)范的限值1/1000相等，在天然波2（TH4TG035）、人工波（RH1TG035）和規(guī)范反應(yīng)譜作用下，不論X向和Y向的層間位移角均小于規(guī)范限值，說明天然波1 （TH2TG035）對(duì)結(jié)構(gòu)起主要控制作用。由表3可以看出，在地震作用下的時(shí)程計(jì)算結(jié)果平均值與振型分解反應(yīng)譜結(jié)果較接近，但根據(jù)規(guī)范要求，當(dāng)取三組時(shí)程曲線進(jìn)行計(jì)算時(shí)，結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)宜取時(shí)程法計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)值與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的較大值，故在施工圖設(shè)計(jì)中將反應(yīng)譜放大1.19倍進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.4 轉(zhuǎn)換層樓板應(yīng)力分析

部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)中，框支轉(zhuǎn)換層樓板是重要的傳力構(gòu)件，不落地剪力墻的剪力需要通過轉(zhuǎn)換層樓板傳遞到落地剪力墻，為保證樓板能可靠傳遞面內(nèi)相當(dāng)大的剪力（彎矩），按規(guī)范要求，取板厚為180mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)按C50（ft=1.89MPa），配筋為雙層雙向12@200。用MIDAS程序?qū)D(zhuǎn)換層樓板進(jìn)行應(yīng)力分析，分析時(shí)采用彈性膜（僅考慮樓板平面內(nèi)剛度和不考慮平面外剛度）來模擬彈性樓板，用以驗(yàn)算設(shè)計(jì)是否滿足要求。查看以下荷載組合下的樓板應(yīng)力：①1.2恒荷載+1.4活荷載；②1.35恒荷載+0.98活荷載；③1.2恒荷載+0.6活荷載+1.3地震荷載；④1.2恒荷載+0.6活荷載-1.3地震荷載。圖4和圖5分別為轉(zhuǎn)換層樓板X向和Y向最大應(yīng)力云圖。

圖4 轉(zhuǎn)換層樓板X向應(yīng)力云圖

由圖4和圖5可知，轉(zhuǎn)換層樓板由于開洞少，整體性好，在多遇地震作用下，絕大部分區(qū)域樓板面內(nèi)拉應(yīng)力均小于C50混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（ft=1.89MPa），且應(yīng)力集中部位多出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換梁區(qū)域附近。

圖5 轉(zhuǎn)換層樓板Y向應(yīng)力云圖

3.5 轉(zhuǎn)換梁應(yīng)力分析

本工程為框支梁承托剪力墻并承托轉(zhuǎn)換次梁及其上剪力墻，應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力分析，按應(yīng)力校核配筋，并加強(qiáng)構(gòu)造措施。用MIDAS程序?qū)D(zhuǎn)換梁進(jìn)行應(yīng)力分析，查看以下荷載組合下的轉(zhuǎn)換梁的應(yīng)力：①1.2恒荷載+1.4活荷載；②1.35恒荷載+0.98活荷載；③1.2恒荷載+0.6活荷載+1.3地震荷載；④1.2恒荷載+0.6活荷載-1.3地震荷載。以（Bc～BG）軸×（B10～B13）軸的轉(zhuǎn)換梁為例，圖6和圖7分別為轉(zhuǎn)換梁X向和Y向局部最大應(yīng)力云圖。

圖6 轉(zhuǎn)換梁X向局部應(yīng)力云圖

圖7 轉(zhuǎn)換梁Y向局部應(yīng)力云圖

由圖6和圖7可知，轉(zhuǎn)換梁截面受拉區(qū)域較大，在多遇地震作用下，大多數(shù)拉應(yīng)力均大于C50混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（ft= 1.89MPa），需要由鋼筋來承受，在施工圖設(shè)計(jì)中按MIDAS程序分析出的應(yīng)力和計(jì)算結(jié)果來校核SATWE的計(jì)算結(jié)果，以滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著高層建筑的造型和功能的多樣化發(fā)展，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度不斷增加。尤其是框支剪力墻結(jié)構(gòu)一直存在抗震性能較差的問題，對(duì)此設(shè)計(jì)人員必須重視其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，合理剪力分析計(jì)算模型，采用SATWE、MIDAS等程序進(jìn)行整體彈性對(duì)比分析，多遇地震作用下彈性時(shí)程分析及轉(zhuǎn)換梁、樓板的應(yīng)力有限元分析，以確保工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足相應(yīng)規(guī)范要求，實(shí)現(xiàn)其使用安全性與可靠性。

參考文獻(xiàn)

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TU398.2

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1673-0038（2015）24-0019-03

2015-4-12