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        部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)

        2022-12-09 08:56:16劉縈棣
        工程建設(shè)與設(shè)計 2022年21期
        關(guān)鍵詞:框支支柱落地

        劉縈棣

        (上海中建建筑設(shè)計院有限公司,上海 200135)

        1 引言

        為了滿足高層建筑多功能、多用途的需要,如上部樓層為小開間的住宅或公寓,下部樓層為大開間的商場、餐館或停車場,可以采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)來滿足建筑的功能需求。部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)屬于一種復(fù)雜結(jié)構(gòu),在結(jié)構(gòu)設(shè)計時有專門的技巧與規(guī)定。

        2 框支剪力墻的結(jié)構(gòu)布置

        2.1 上部結(jié)構(gòu)與框支柱的布置

        大部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)的上部功能為住宅、下部功能為大型商業(yè)、開敞式辦公等要求大空間的結(jié)構(gòu)。本文以某上部為住宅,下部為架空層的工程為例,介紹框支剪力墻的結(jié)構(gòu)布置要點(diǎn)。該工程為地上33 層,地下2 層的住宅。建筑方案要求首層為架空層,要有良好的通透性和寬敞的活動空間。地下一層為私人會所,地下二層為停車庫,主樓投影范圍內(nèi)要求能盡量多地留出停車的空間。因此,本工程要求采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)。

        首先,根據(jù)建筑的平面,按常規(guī)的剪力墻結(jié)構(gòu)初步布置剪力墻,如圖1所示。

        剪力墻落在框支框架梁上的稱為直接轉(zhuǎn)換,也稱為主梁轉(zhuǎn)換;剪力墻通過次梁轉(zhuǎn)換的稱為次梁轉(zhuǎn)換,框支框架的軸線應(yīng)盡量與上部剪力墻的主軸線對齊。在框支剪力墻設(shè)計中,應(yīng)優(yōu)先由采用主梁轉(zhuǎn)換。框支柱的間距太小將會影響底部幾層建筑的使用,但框支柱間距太大會使框支梁的高度太高,影響建筑的凈高。因此,框支柱的間距一般宜在6~10 m。樓梯間、電梯井的剪力墻由于建筑功能的要求是可以直接連續(xù)貫通落地的,通常是不需要轉(zhuǎn)換的。根據(jù)上述原則,結(jié)合底部架空層建筑功能的需要,先初步布置框支柱的位置,如圖2所示。

        2.2 上部結(jié)構(gòu)的剪力墻布置優(yōu)化

        確定好框支柱的柱網(wǎng)后,需要對上部剪力墻進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。首先,將非主框支梁上方的剪力墻去掉或縮短,因為次梁轉(zhuǎn)換的受力更復(fù)雜,所以盡量采用主梁轉(zhuǎn)換。其次,將主框支梁上方的剪力墻之間的洞口盡量去除。

        2.3 轉(zhuǎn)換梁的布置

        轉(zhuǎn)換梁的布置除了應(yīng)滿足JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[1](以下簡稱 《高規(guī)》)10.2.8 條的規(guī)定以外,轉(zhuǎn)換梁的中線也與上部剪力墻的中心線重合,否則偏心布置的剪力墻會對轉(zhuǎn)換梁產(chǎn)生非常大的扭矩,使轉(zhuǎn)換梁處于彎剪扭的復(fù)雜受力狀態(tài)。對于采用部分框支剪力墻的建筑,在方案階段就需要考慮框支梁、框支柱凸出上部結(jié)構(gòu)投影范圍的問題??蛑Я旱慕孛娓叨韧ǔJ怯闪旱目辜舫休d力決定的。上部樓層數(shù)越多,轉(zhuǎn)換梁所需要的截面也越大,相應(yīng)的,轉(zhuǎn)換層所需要的層高也就越高。轉(zhuǎn)換層的層高也對建筑有著很大的影響,在方案階段宜進(jìn)行結(jié)構(gòu)試算來確定轉(zhuǎn)換梁的高度。

        圖3中的虛線表示轉(zhuǎn)換梁,粗實線為上部結(jié)構(gòu)的剪力墻,灰色構(gòu)件為落地剪力墻與轉(zhuǎn)換柱。

        2.4 落地剪力墻的布置

        由于框支框架的轉(zhuǎn)換,框支層上下豎向構(gòu)件不連續(xù),框支層上下剛度不連續(xù),底部框架的抗側(cè)剛度較上部的剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度弱很多。因此,《高規(guī)》規(guī)定,在底部框支框架層應(yīng)布置一定數(shù)量的落地剪力墻,以提高框支剪力墻結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)能力?!陡咭?guī)》對轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度有相應(yīng)規(guī)定,也對落地的剪力墻有相應(yīng)要求。

        除了規(guī)范規(guī)定的落地剪力墻的布置要求,在實際工程應(yīng)用中還應(yīng)注意以下幾點(diǎn):(1)建筑上下貫通的樓梯間、電梯井是布置落地剪力墻的首選位置;(2)宜優(yōu)先選擇上部剪力墻貫通落地,這樣才能使底部剪力墻在大軸力的作用下有更高的抗剪承載力;(3)落地剪力墻在X、Y 兩個方向都應(yīng)布置,而且兩個方向的結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度應(yīng)相近;(4)落地剪力墻軸線應(yīng)盡量與框支框架梁軸線重合,形成帶邊框的剪力墻;(5)在保證框支層抗剪承載力、框支框架承擔(dān)的地震傾覆力矩百分比和樓層層間最大位移與層高之比滿足現(xiàn)行有關(guān)規(guī)定的基礎(chǔ)上,落地剪力墻的數(shù)量最少即為合理。

        2.5 其他注意事項

        (1)轉(zhuǎn)換層樓板厚度,應(yīng)滿足《高規(guī)》10.2.23 條的規(guī)定。(2)轉(zhuǎn)換梁的受力以剪切變形為主。為了提高轉(zhuǎn)換梁的抗剪承載力,通常轉(zhuǎn)換梁的混凝土強(qiáng)度等級可取C40~C45。當(dāng)轉(zhuǎn)換梁截面高度受限、地震烈度較高時,可以將轉(zhuǎn)換梁設(shè)置成型鋼混凝土梁。(3)如果轉(zhuǎn)換梁與設(shè)備管道井重疊,則需要在轉(zhuǎn)換層上一層將管道井放大,或者采用增厚建筑面層做同層排水處理,以此避免管道穿轉(zhuǎn)換梁,削弱轉(zhuǎn)換梁的剛度和受剪承載力。

        3 部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)計算重點(diǎn)

        3.1 部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)

        提高結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的抗震承載力和變形能力是提高結(jié)構(gòu)抗震性能的有效途徑。對于復(fù)雜結(jié)構(gòu),提高關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)的抗震安全性是抗震性能化設(shè)計的一項重要手段。

        框支梁和框支柱在部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)中屬于重要的“關(guān)鍵”結(jié)構(gòu)構(gòu)件,因此,參考GB 50011—2001《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(2016年版)[2]3.10 條以及附錄M,對框支梁和框支柱宜按“中震彈性”或“中震不屈服”設(shè)計。對應(yīng)的性能目標(biāo)就是在設(shè)防烈度地震(“中震”)作用下,框支梁及框支柱仍處理彈性或不屈服的狀態(tài)。

        3.2 采用多種計算模型進(jìn)行不同目標(biāo)的分析

        3.2.1 結(jié)構(gòu)整體計算

        部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)屬于復(fù)雜結(jié)構(gòu),計算時應(yīng)采用兩種空間分析軟件,對主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析比較,以保證力學(xué)分析的可靠性。計算地震作用時采用考慮空間扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的振型分解反應(yīng)譜法。

        在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體指標(biāo)計算時,采用全樓剛性樓板假定。計算結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層上、下側(cè)向剛度比,以滿足規(guī)范要求;結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計時應(yīng)采用非強(qiáng)制剛性樓板假定,計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力,然后進(jìn)行施工圖設(shè)計。

        3.2.2 彈性時程分析

        《高規(guī)》第5.1.13 條規(guī)定:“抗震設(shè)計時,復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)采用彈性時程分析法進(jìn)行補(bǔ)充計算”。當(dāng)時程分析得到的剪力值大于振型分解反應(yīng)譜計算的結(jié)果時,應(yīng)在振型分解反應(yīng)譜中通過剪力放大系數(shù)把相當(dāng)樓層的剪力放大。

        3.2.3 彈塑性靜力或彈塑性動力分析

        彈塑性靜力或彈塑性動力分析是實現(xiàn)抗震設(shè)計 “大震不倒”目標(biāo)的基本分析方法。結(jié)構(gòu)在大震作用時,結(jié)構(gòu)變形加大,部分構(gòu)件進(jìn)入塑性狀態(tài),其P-Δ 效應(yīng)已經(jīng)不能忽略,幾何非線性程度加大,此時已經(jīng)不能再采用線彈性分析的方法[3]。所以規(guī)范要求對于復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)宜采用彈塑性靜力或彈塑性動力分析方法補(bǔ)充計算。

        3.3 計算中模型的參數(shù)設(shè)置

        (1)在計算軟件(PKPM、YJK)中應(yīng)在前處理模塊中指定“轉(zhuǎn)換柱”“轉(zhuǎn)換梁”;(2)轉(zhuǎn)換梁應(yīng)該考慮軸向變形的影響,計算時轉(zhuǎn)換層樓板定義為彈性樓板,考慮樓板的面內(nèi)剛度,計算轉(zhuǎn)換梁軸力;(3)框支轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)屬于豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu),其轉(zhuǎn)換層強(qiáng)制定義為薄弱層,薄弱層放大系數(shù)按10.2.4 條選取,此時與結(jié)構(gòu)剛度比值無關(guān);(4)轉(zhuǎn)換層梁剛度放大系數(shù),宜取為1.0;(5)為了使轉(zhuǎn)換梁與上部剪力墻變形協(xié)調(diào)更加合理,墻元細(xì)分最大控制長度應(yīng)盡量取小,宜取1 m。

        3.4 轉(zhuǎn)換梁的應(yīng)力分析

        根據(jù)《高規(guī)》10.1.5 條的規(guī)定:“復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)中的受力復(fù)雜部位,尚宜進(jìn)行應(yīng)力分析,并按應(yīng)力進(jìn)行配筋設(shè)計校核?!?/p>

        在各種常用的結(jié)構(gòu)分析軟件中,都對框支梁的應(yīng)力分析有專門的計算手段。例如,在PKPM 中建模時可以用墻體代替轉(zhuǎn)換梁,然后程序會將轉(zhuǎn)換梁同剪力墻一樣劃分單元進(jìn)行計算,然后再按梁配筋計算結(jié)果的形式顯示;YJK 在后處理中指定了“轉(zhuǎn)換梁”以后,會自動對轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行單元劃分并進(jìn)行應(yīng)力計算。

        4 轉(zhuǎn)換層的施工注意要點(diǎn)

        4.1 混凝土模板支撐工程

        框支層的層高通常都在5 m 以上,因此,框支梁屬于一項危大工程??蛑Я旱慕孛嫱ǔ6急容^大,框支梁的模板屬于承受超重荷載的模板,必須對模板工程進(jìn)行專項設(shè)計,必須對模板工程安裝編制專項方案,來控制施工過程安全與質(zhì)量問題。若采用常規(guī)模板支撐靠下層結(jié)構(gòu)支撐施工荷載,必須經(jīng)過計算,如果超過樓板的設(shè)計荷載,則應(yīng)將支撐撐至地下室底板。

        4.2 混凝土工程

        框支梁和框支柱的鋼筋配筋量通常很大,有時還會配置鋼骨,因此,框支梁和框支柱的混凝土可將骨料粒徑適當(dāng)減小。

        框支梁通常都屬于大體積混凝土,設(shè)計時應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計說明中注明大體積混凝土的施工要求。施工前應(yīng)做好施工組織,分段分層澆筑時嚴(yán)禁出現(xiàn)冷縫,澆筑時應(yīng)分層振搗密實。梁柱混凝土強(qiáng)度不同時應(yīng)做好接茬處理,保證節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的混凝土強(qiáng)度與澆筑質(zhì)量。

        5 結(jié)語

        本文以某框支剪力墻結(jié)構(gòu)為例,論述了上部剪力墻布置與框支梁、框支柱布置、計算和設(shè)計的方法和要點(diǎn),在實際項目應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行多種方案比例,以得到安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、合理的結(jié)構(gòu)。

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