何青峰  王小慧

（中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司，西安710054）

    框支短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是為了滿足建筑功能需要而發(fā)展起來的一種新型的結(jié)構(gòu)形式。它是將短肢剪力墻結(jié)構(gòu)與框支剪力墻結(jié)構(gòu)相結(jié)合的產(chǎn)物，由于短肢墻布置靈活，容易滿足建筑平面的要求，結(jié)構(gòu)剛度又不致過大（與全剪力墻結(jié)構(gòu)相比），因而受到建筑師和結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)備用房，地上1、2層為商用輔助用房及生活配套服務(wù)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(biāo)準(zhǔn)層?xùn)|西總長67.30m，南北總寬15.00m。室內(nèi)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(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50 年。建筑的抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計地震分組為第一組，設(shè)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(qiáng)區(qū)及框支框架的抗震等級為二級，非加強(qiáng)區(qū)抗震等級為三級。基本風(fēng)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(jié)構(gòu)較為規(guī)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(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)層質(zhì)心和剛心偏心較大，導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，考慮偶然偏心和雙向地震作用。對豎向不連續(xù)的承重構(gòu)件，采用部分框支框架進(jìn)行轉(zhuǎn)換。框支剪力墻結(jié)構(gòu)以轉(zhuǎn)換層為分界,上下兩部分的內(nèi)力分布規(guī)律是不同的。在上部樓層外荷載產(chǎn)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(zhuǎn)換層處荷載分配產(chǎn)生突變。轉(zhuǎn)換層樓板承擔(dān)著上下層剪力重分配的任務(wù)；并且由于轉(zhuǎn)換層樓板自身平面內(nèi)受力很大、面內(nèi)變形也很大，所以轉(zhuǎn)換層樓板必須有足夠的剛度作保證；轉(zhuǎn)換層樓板采用C40 混凝土，厚度180mm。為了協(xié)同轉(zhuǎn)換層樓板完成樓層剪力重分配，將轉(zhuǎn)換層上下層樓板也適當(dāng)加強(qiáng)，取厚度150。對整體結(jié)構(gòu)采用satwe進(jìn)行三維建模分析計算；抗震計算中，考慮平扭耦聯(lián)計算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，振型數(shù)18，且應(yīng)使振型參與質(zhì)量不小于總質(zhì)量的90％。按照《高規(guī)》^[3]3.3.3條運用PMSAP進(jìn)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(qiáng)度等級為C45，鋼筋等級為HRB400級。結(jié)構(gòu)分析的主要結(jié)果見表一。

 

    SATWE 和PMSAP 采用振型反應(yīng)譜法計算水平地震作用, 計算結(jié)果基本吻合，指標(biāo)基本滿足規(guī)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(gòu)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(guī)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(zhuǎn))	第三振型	X向地震	Y向地震	X雙向地震	Y雙向地震	X風(fēng)荷載	Y風(fēng)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(jié)構(gòu)線彈性分析后，進(jìn)行截面配筋設(shè)計。在框支轉(zhuǎn)換中，轉(zhuǎn)換構(gòu)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(cè)剛度很大的剪力墻轉(zhuǎn)換為抗側(cè)剛度相對很小的框支柱，轉(zhuǎn)換層上下的側(cè)向剛度比很大，易形成結(jié)構(gòu)軟弱層和薄弱層，引起地震剪力的劇烈變化，對結(jié)構(gòu)的抗震極為不利；轉(zhuǎn)換部位受力比較復(fù)雜。以單片框支剪力墻的實腹轉(zhuǎn)換梁為例，在豎向荷載作用下，框支剪力墻轉(zhuǎn)換層的墻體有拱效應(yīng)，兩支座處豎向應(yīng)力大，同時有水平向應(yīng)力(推力)，跨中則會出現(xiàn)拉應(yīng)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(zhuǎn)換梁上部墻體的形式如何，只要墻體存在一定長度，轉(zhuǎn)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(yīng)墻體下的轉(zhuǎn)換梁就有一段范圍出現(xiàn)受拉區(qū)。拉力沿梁全長不均勻，跨中處大，支座處減小。

 

    根據(jù)《高規(guī)》10.1.5及10.2.10要求對局部部位的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，通過有限元分析對其受力狀態(tài)進(jìn)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(jìn)行有限元分析。為節(jié)約機(jī)時間、提高運算效率，計算時取框支梁上部4層內(nèi)樓層進(jìn)行計算，根據(jù)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(yīng)力分布、剪應(yīng)力應(yīng)力分布分別如圖4 所示，可知σx 應(yīng)力絕對值最大為9.8MPa，σy向應(yīng)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(qiáng)度要求。

圖4 框支梁等應(yīng)力分布（kPa）

 

    框支梁是轉(zhuǎn)換層中最重要的傳力構(gòu)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(shù)情況下屬于偏心受拉構(gòu)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(yīng)力集中問題尤為突出；框支梁不僅應(yīng)同時滿足規(guī)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(qiáng)其抗剪能力。在設(shè)計時應(yīng)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(yīng)配置足夠數(shù)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(nèi)。框支梁受剪很大,而且對于這樣的抗震重要部位,更應(yīng)強(qiáng)調(diào)“強(qiáng)剪弱彎”原則,在縱筋已有一定富余的情況下,箍筋更應(yīng)加強(qiáng)。箍筋不小于Ф12 @100 四肢箍全長加密，配箍率0. 75 %，滿足高規(guī)框支梁面積含箍率不小于1. 1 ft/ fyv的要求。經(jīng)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(zhuǎn)換梁在支座區(qū)段的抗剪承載力明顯增強(qiáng)，因而可有效減小轉(zhuǎn)換梁的截面高度，同時也可防止轉(zhuǎn)換梁剛度過大，避免轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)梁剛度接近甚至超過柱剛度而形成不利于抗震的結(jié)構(gòu)形式。

 

     框支短肢剪力墻結(jié)構(gòu)因其實用性和布置靈活，將會被廣泛的應(yīng)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(gòu)件，受力典型。通過分析計算和討論，可以得出如下結(jié)論：

 

    (1)對于復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)體系, 結(jié)構(gòu)概念設(shè)計尤為重要；該工程框支框架的

受力較為復(fù)雜，通過分析，其設(shè)計合理，安全可靠。

    (2)加強(qiáng)轉(zhuǎn)換層及其下部結(jié)構(gòu)剛度，要求轉(zhuǎn)換層及其上下樓層層剛度基本均勻；應(yīng)盡量強(qiáng)化和提高轉(zhuǎn)換層以及下部結(jié)構(gòu)抗震承載能力。

    (3) 對重要部位和關(guān)鍵構(gòu)件, 應(yīng)進(jìn)行必要有效的局部應(yīng)力分析, 采取相應(yīng)的處理措施。采用有限元法分析轉(zhuǎn)換梁及上部墻體的內(nèi)力、應(yīng)力, 以此作為設(shè)計轉(zhuǎn)換梁和上部墻體的依據(jù)。

    (4) 框支梁加腋使梁端塑性鉸的位置發(fā)生了變化，梁端出現(xiàn)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(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎”的抗震設(shè)計原則。

 

[1] 鐘樹生,祁勇,倪忠,加腋梁式框支短肢剪力墻轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)試驗研究[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報，2007,29（6）.

[2] 沈朝勇,羅學(xué)海,黃襄云,陳建秋，金建敏.高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].四川建筑科學(xué)研究，2010,36（2）.

[3] JGJ3—2002高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[4] GB50010—2002 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

 

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)