王宇

（中國建筑東北設(shè)計研究院有限公司，沈陽110006）

半山公館高層框支剪力墻公寓結(jié)構(gòu)設(shè)計

王宇

（中國建筑東北設(shè)計研究院有限公司，沈陽110006）

半山公館高層公寓是半山公館住宅小區(qū)中的一棟臨街高層建筑，其結(jié)構(gòu)形式采用框支剪力墻結(jié)構(gòu)。本文以該工程實例為基礎(chǔ)，結(jié)合結(jié)構(gòu)規(guī)范相關(guān)規(guī)定和結(jié)構(gòu)計算軟件SATWE的操作方法，比較詳細的介紹了框支剪力墻結(jié)構(gòu)房屋的設(shè)計思路和方法，其中包括了結(jié)構(gòu)整體計算分析、轉(zhuǎn)換層剛度比控制、框支框架的設(shè)計等結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重點和難點內(nèi)容。

框支剪力墻；框支柱；轉(zhuǎn)換梁；無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力樓板

1　工程概況

半山公館住宅小區(qū)位于鐵嶺市銀州區(qū)繁華地段，臨街部分由2棟高層和4層框架結(jié)構(gòu)的商業(yè)網(wǎng)點組成。三者地下部分相連，均為地下車庫。1棟高層是高檔寫字樓，采用框剪結(jié)構(gòu)；另1棟高層是高檔公寓樓，采用框支剪力墻結(jié)構(gòu)。2棟高層塔樓與4層商業(yè)網(wǎng)點在地上部分采用抗震縫分開，結(jié)構(gòu)獨立設(shè)計，避免結(jié)構(gòu)超長和扭轉(zhuǎn)問題。同時沒有采用大底盤雙塔的結(jié)構(gòu)形式，能分別確定塔樓和裙房的抗震設(shè)防標準，經(jīng)濟合理。三者地下室部分作為一個整體，未設(shè)縫分開，采用施工后澆帶分段施工，整體澆筑。

這里，我們主要介紹框支剪力墻高層公寓的結(jié)構(gòu)設(shè)計。高層公寓地上共26層，房屋高度：91.250m，標準層層高3.2m，地下室層高：6.150m。由于公寓底部4層也作為商業(yè)網(wǎng)點，需要較大使用空間，所以采用框剪結(jié)構(gòu)。4層頂為結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層；轉(zhuǎn)換層以上公寓部分采用大開間剪力墻結(jié)構(gòu)。公寓部分的設(shè)備轉(zhuǎn)換層設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層上部夾層。轉(zhuǎn)換層上一層層高比標準層加高500mm，地面上做設(shè)備夾層，采用磚地壟墻鋪預(yù)制板的形式。這種做法僅增加了結(jié)構(gòu)荷載，不影響結(jié)構(gòu)整體剛度計算。轉(zhuǎn)換層上一層層高加高在一定程度上減小了轉(zhuǎn)換層上下剛度突變的不利影響，有利于結(jié)構(gòu)從網(wǎng)點到公寓標準層的剛度均勻過渡。

圖1　建筑剖面圖

2　結(jié)構(gòu)整體受力分析

2.1基本自然條件和設(shè)計標準

設(shè)計使用年限：50a，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：r。=1.0；

抗震設(shè)防烈度：7度，設(shè)計基本地震加速度：0.10g；設(shè)計地震分組第1組；

場地土類別：II類，場地特征周期：0.35s；

地面粗糙度：C類；

基本風壓：WO=0.45kN/m2（大于60m，按100a風壓）；

基本雪壓：0.55kN/m2；

標準凍深：1.20m；

1.結(jié)構(gòu)抗震等級確定

房屋高度H=91.250m，結(jié)構(gòu)形式：框支剪力墻結(jié)構(gòu)，屬于A級高層，按《高規(guī)》第4.8.2條確定結(jié)構(gòu)的抗震等級見表1。

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱：高規(guī)）第10.2.5條底部帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震等級應(yīng)符合本規(guī)程第4.8節(jié)的規(guī)定。

表1　結(jié)構(gòu)的抗震等級

圖2　1～3層網(wǎng)點層結(jié)構(gòu)平面圖

圖3　轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)平面圖

結(jié)構(gòu)底部4層核心筒剪力墻落地，墻體加厚至500mm，并且增加了兩片橫向墻體，提高底部橫向結(jié)構(gòu)剛度（見圖2）。墻、柱混凝土強度等級：C50。樓蓋采用主次梁樓蓋形式，一般樓板厚120mm。轉(zhuǎn)換層樓板厚200mm，轉(zhuǎn)換層下一層樓板厚150mm。

轉(zhuǎn)換層上部剪力墻布置按大開間布置原則，墻體拉通對齊，傳力明確，避免了次梁托墻轉(zhuǎn)換的復(fù)雜形式（見圖3）?；炷镣鈮穸?00沿高度收至250mm，內(nèi)墻厚度由350mm沿高度收至200mm。剪力墻混凝土強度等級：C45～C30。公寓層樓板厚度200mm～220mm，采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土樓板。結(jié)構(gòu)整體計算時，地面及隔墻荷載以恒荷載形式均布在樓板上。

SATWE建模分析結(jié)果見表3。對部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，當轉(zhuǎn)換層的位置設(shè)置在3層及3層以上時，其框支柱、剪力墻底部加強部位的抗震等級尚宜按本規(guī)程表4.8.2、表4.8.3的規(guī)定提高一級采用，已經(jīng)為特一級時可不再提高。本工程轉(zhuǎn)換層在4層，屬于高位轉(zhuǎn)換，因此按10.2.5條提高后的抗震等級見表2。

剪力墻底部加強部位的高度可取框支層加上框支層以上2層的高度及墻肢總高度的1/8二者的較大值。剪力墻底部加強部位的高度取底部-1層～6層，地上高度26.90m。

2.2結(jié)構(gòu)建模計算和結(jié)果分析

結(jié)構(gòu)的整體分析及構(gòu)件的配筋設(shè)計均采用PKPM系列軟件—SATWE程序。各層結(jié)構(gòu)平面布置如下圖2～圖4所示。

表2　提高后的抗震等級

圖4　公寓層結(jié)構(gòu)平面圖

結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比：T3/T1=0.811<0.9；結(jié)構(gòu)第一、二周期均為平動，無明顯扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；XY方向有效質(zhì)量系數(shù)均大于0.9，滿足《高規(guī)》要求。結(jié)構(gòu)最大層間位移均小于1/2000，結(jié)構(gòu)有很好的側(cè)向剛度。結(jié)構(gòu)第5層，即轉(zhuǎn)換層位薄弱層，薄弱層地震剪力放大系數(shù)：1.15。

3　轉(zhuǎn)換層和框支框架設(shè)計

3.1轉(zhuǎn)換層剛度比控制

《高規(guī)》附錄E.0.2：對于轉(zhuǎn)換層位置大于1層的，采用轉(zhuǎn)換層的上部結(jié)構(gòu)與帶轉(zhuǎn)換層的下層結(jié)構(gòu)等效側(cè)向剛度比宜為1，抗震設(shè)計時不應(yīng)大1.15于1.3。在satwe軟件采用“彎剪剛度”層剛度比計算方法得到以下計算結(jié)果。

《高規(guī)》附錄E.0.2：當轉(zhuǎn)換層設(shè)置在3層及3層以上時轉(zhuǎn)換層本層側(cè)向剛度不應(yīng)小于相鄰上一層樓層側(cè)向剛度的60%。在SATWE軟件采用“地震剪力與地震層間位移的比”層剛度比計算方法計算層剛度，計算結(jié)果及剛度比見下表5。

本工程轉(zhuǎn)換層的上部結(jié)構(gòu)與帶轉(zhuǎn)換層的下層結(jié)構(gòu)等效側(cè)向剛度比接近1，轉(zhuǎn)換層與上層X和Y方向側(cè)向剛度比均大于0.6，均能滿足《高規(guī)》附錄E.0.2的相關(guān)要求。

表3　SATWE建模分析結(jié)果

表4　高位轉(zhuǎn)換時轉(zhuǎn)換層上部與下部結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比

表5　計算結(jié)果及剛度比

3.2框支框架設(shè)計

框支剪力墻房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點集中在轉(zhuǎn)換層的轉(zhuǎn)換構(gòu)件設(shè)計上。本工程的框支柱，轉(zhuǎn)換梁的計算除采用SATWE軟件分析，還采用框支剪力墻分析模塊FEQ對框支梁和上部墻體進行了補充驗算，薄弱部位加強了配筋。

高位轉(zhuǎn)換對抗震不利，特別是部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)。本工程框支柱按4.8.2條提高一級抗震等級，按特一級設(shè)計。框支柱柱端加密區(qū)最小配箍特征值λv應(yīng)按《高規(guī)》4.9.2條（特一級混凝土構(gòu)件規(guī)定）要求，比表6.4.7的λv數(shù)值增大0.03采用，且箍筋體積配箍率不應(yīng)小于1.6%，于是：

λv=0.15+0.03=0.18，

ρv≥λvfc/fv=0.18×23.1/300=0.01386=1.386%，本工程應(yīng)取ρv≥1.6%

全部縱向鋼筋最小構(gòu)造配筋百分率取1.6%。柱箍筋全高加密（框支柱配筋見圖5）?？蛑е钠渌拐饦?gòu)造措施按一級抗震措施。

圖5　框支柱配筋圖

本工程轉(zhuǎn)換梁截面寬度：1200mm～1600mm，梁高：2200mm～2600mm。框支梁剪力很大，原因是公寓層沿核心筒布置走廊（見圖3），剪力墻開洞位置靠近框支柱，對框支梁設(shè)計十分不利。在框支梁高度受到限制，門洞口下方又不能加腋的情況下，只能加大梁截面寬度，提高抗剪能力（框支梁配筋見圖6）。

轉(zhuǎn)換層樓板板厚200mm，雙層雙向配筋，每方向配筋率均大于0.25%。板正負鋼筋均按受拉錨固在梁（墻）內(nèi)。轉(zhuǎn)換層下一層板厚150mm，上一層預(yù)應(yīng)力板厚度200mm～220mm，均采用雙層雙向配筋，并適當加強了配筋。

4　結(jié)語

1）框支剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)合理控制房屋剛度。在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層剛度比滿足《高規(guī)》要求的的前提下，應(yīng)弱化上部結(jié)構(gòu)，即轉(zhuǎn)換層上部剪力墻盡量優(yōu)化，減少墻片數(shù)量，集中布置較長墻片，剛度適中。墻片少而集中有力于結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。

圖6　框支梁配筋圖

圖7　轉(zhuǎn)換梁鋼筋綁扎

2）墻體洞口應(yīng)盡量避開轉(zhuǎn)換梁端部區(qū)域，否則轉(zhuǎn)換梁端部出現(xiàn)剪力過大，超筋現(xiàn)象。解決梁端剪力過大的問題，一般在梁端洞口處加腋處理，或加大梁截面（梁寬或梁高）；如采用型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁也能有效提高轉(zhuǎn)換梁的截面抗剪承載能力。

3）本工程轉(zhuǎn)換梁截面大，鋼筋密集，因此轉(zhuǎn)換梁施工中支模，鋼筋綁架和混凝土澆筑難度很大。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，轉(zhuǎn)換梁的布筋應(yīng)適當增大間距，便于梁混凝土振搗。在設(shè)計交底中，設(shè)計者應(yīng)協(xié)助施工單位解決支模，鋼筋綁扎，混凝土振搗，關(guān)鍵節(jié)點處理等難點問題，保證轉(zhuǎn)換梁的順利施工。

4）預(yù)應(yīng)力樓板厚度較大，一般在150mm～ 250mm之間，因此樓板在外墻支座處會產(chǎn)生較大負彎矩。在外墻墻肢和外邊梁的設(shè)計中應(yīng)計入預(yù)應(yīng)力板負彎矩的不利影響。外墻肢厚度不宜小于250mm，墻肢豎向鋼筋應(yīng)適當加強。外邊梁考慮抗扭，加強梁箍筋及腰筋。

5）框支剪力墻結(jié)構(gòu)房屋屬于抗震不利的結(jié)構(gòu)形式，抗震措施的提高勢必會造成整個建筑的土建成本增加。因此在前期建筑方案階段，結(jié)構(gòu)專業(yè)應(yīng)提早介入，綜合考慮建筑功能、土建成本、施工難度等多方面因素提出合理建議，優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案。在可能的條件下，可采用避免轉(zhuǎn)換的其它結(jié)構(gòu)方案（如：短肢墻結(jié)構(gòu)）與結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換方案進行對比分析，選擇最佳結(jié)構(gòu)方案。

[1]SATWE用戶手冊及技術(shù)條件，中國建筑科學(xué)研究院PKPMCAD工程部，2011.

[2]JGJ3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3]GB50011-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范應(yīng)用與分析[S].

[4]李國勝.多高層混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中疑難問題處理及算例[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

TU398+.2

C

1673-1093（2015）12-0066-04

10.3969/j.issn.1673-1093.2015.12.015

王宇（1981），工程師，就職于中國建筑東北設(shè)計研究院有限公司，研究方向：建筑結(jié)構(gòu)。

2015-07-23；

2015-08-06