某高層商住樓框支剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析
關(guān)鍵詞：高層建筑；轉(zhuǎn)換層；框支梁；框支柱
一、工程概況
常州市某高層商住樓，是集商業(yè)、住宅于一體的綜合性高層建筑。該工程地下一層，層高5.15m，布置設(shè)備用房、地下水池及公共自行車泊位。地上1層為商業(yè)用房，層高4.5m，2層以上為剪力墻結(jié)構(gòu)住宅，層高為3.0m，為實現(xiàn)這種底部大開間與上部剪力墻之間的轉(zhuǎn)換，在主樓2層設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，以傳遞豎向荷載和水平荷載。21層以上為機房和屋頂水箱。室外地坪以上主體高度為65m。建筑平面如圖1，2所示。
二、結(jié)構(gòu)方案確定
帶轉(zhuǎn)換層的復雜結(jié)構(gòu)已逐漸成為豎向不規(guī)則高層建筑中經(jīng)常采用的一種滿足其建筑功能及美學要求的結(jié)構(gòu)布置方式。同時，由于轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)有其自身的結(jié)構(gòu)弱點，因此《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》和《鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》都對其做了嚴格的規(guī)定，特別是對高位轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)做了更為嚴格的規(guī)定，由于總體結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件傳力不連續(xù)性，造成結(jié)構(gòu)上荷載不能傳遞給下部對應的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，而是通過轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分配，再向下傳遞給下部結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件，故轉(zhuǎn)換構(gòu)件相當重要而且受力非常復雜，保證轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)正常地、可靠地、有效地工作是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點。本文結(jié)合本工程建筑方案的要求，對轉(zhuǎn)換方案進行多方比較。
如圖1，2所示，由于該建筑功能的特殊要求，導致了上部框支剪力墻軸線與底部框支框架錯開較多，初步方案擬采用板式轉(zhuǎn)換層，這樣可以解決眾多軸線錯開的問題。厚板的厚度根據(jù)柱網(wǎng)尺寸、上部結(jié)構(gòu)荷載綜合確定。板式轉(zhuǎn)換層的優(yōu)勢在于，下部柱網(wǎng)受上部結(jié)構(gòu)布局影響較小，可靈活布置。厚板剛度很大，形成一個承臺，整體性較好，而且施工也較為便捷。但厚板轉(zhuǎn)換的傳力途徑不清楚，受力也十分復雜，同時為滿足抗剪和抗沖切的要求，初步計算板厚需要2.2～2.8m左右，厚板的巨大重量勢必會增大下部豎向構(gòu)件的強度設(shè)計要求，同時，由于厚板的質(zhì)量集中在結(jié)構(gòu)中部，使得結(jié)構(gòu)整體振動性能復雜，且該厚板轉(zhuǎn)換層剛度遠大于下層剛度，容易產(chǎn)生應力集中，地震反應強烈，對抗震十分不利〔1〕。并且材料耗用多，經(jīng)濟性也較差。綜上，厚板轉(zhuǎn)換層對本工程并不適用。
梁式轉(zhuǎn)換層具有傳力直接明確，傳力途徑清楚的優(yōu)點，并且轉(zhuǎn)換梁受力性能好，施工也比較方便。經(jīng)與建筑、業(yè)主多次協(xié)商，調(diào)整建筑圖，盡量保證轉(zhuǎn)換梁直接承托上部剪力墻，減少轉(zhuǎn)換次數(shù)，避免主次梁的復雜轉(zhuǎn)換形式�？蛑е鞔瘟浩矫鎴D如圖2所示（為表達清楚，圖中忽略轉(zhuǎn)換構(gòu)件以外的平面圖，圖中灰色部分為底部框支結(jié)構(gòu)，黑色部分為上部框支剪力墻）。
三、整體結(jié)構(gòu)計算分析
為分析主次梁方案的可行性，采用SATWE、PMSAP對該結(jié)構(gòu)進行整體對比計算.抗震等級：框支框架、底部加強區(qū)均為一級；風荷載按百年一遇取0.45Kk/m2；地震作用按剪彎剛度計算并考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)，共計算24個振型（圖中僅列出前三個振型數(shù)據(jù)），計算結(jié)果見表1。
由表1計算結(jié)果可以得出以下結(jié)論：
1）結(jié)構(gòu)第一第二振型均為平動振型，第三振型為扭轉(zhuǎn)振型，且結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比均小于0.85，滿足規(guī)范要求；
2）軟件整體計算側(cè)向剛度時給出了三種計算層側(cè)向剛度的方法：a.剪切剛度；b.剪彎剛度；c.地震剪力與地震層間位移的比。按“剪彎剛度計算”時，轉(zhuǎn)換層上部與下部結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比γe均小于1.3。滿足規(guī)范要求。
3）最大層間位移與平均層間位移比均小于1.4，滿足規(guī)范要求。
四、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)措施
由于框支剪力墻結(jié)構(gòu)上下剛度突變，豎向構(gòu)件不連續(xù)，傳力復雜，在地震作用下框支層容易產(chǎn)生很大的內(nèi)力和塑性變形，易造成震害，屬于不利于抗震的結(jié)構(gòu)。但框支剪力墻結(jié)構(gòu)可滿足建筑物上、下不同使用功能的要求。因此，當建筑方案確定后，為改善抗震性能，減輕自重并節(jié)省投資，應進行合理的設(shè)計計算。結(jié)合工程實踐，本文總結(jié)了以下梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)措施。
1、合理布置底部大開間柱網(wǎng)，盡量使轉(zhuǎn)換梁直接承托上部剪力墻，減少轉(zhuǎn)換次數(shù)，縮短傳力路徑，避免主次梁的復雜轉(zhuǎn)換形式；
2、為保證結(jié)構(gòu)沿豎向剛度均勻變化，應設(shè)法爭取盡可能多的上下貫通構(gòu)件。同時加大落地剪力墻的厚度，提高落地剪力墻混凝土強度等級，減小洞口尺寸，使縱橫墻盡量連接形成筒體，可以增大底部大空間的剛度；
4、嚴格控制轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度比，保證底部大空間層有足夠的剛度，防止豎向剛度變化過于懸殊。
5、強化下部框剪結(jié)構(gòu)，弱化上部剪力墻結(jié)構(gòu)。按開間擴大上部剪力墻間距，不但能減少混凝土用量，也有利于減小剛度；較長的上部墻體留設(shè)結(jié)構(gòu)洞，洞用輕質(zhì)墻體填充，亦可有效地減小剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度。
6、加強轉(zhuǎn)換層樓板平面內(nèi)的整體性和側(cè)向剛度，采用現(xiàn)澆混凝土樓板，同時加強轉(zhuǎn)換層上、下一層樓板平面內(nèi)剛度，本項目轉(zhuǎn)換層板厚取為200mm，相鄰層板厚取為150mm，均采用雙層雙向布筋；結(jié)構(gòu)布置盡量左右對稱，加強薄弱部位樓板的厚度及配筋；
7、通過調(diào)整剪力墻的布置方式，使結(jié)構(gòu)質(zhì)心和剛心接近，避免扭轉(zhuǎn)；
8、控制風荷載和地震作用下結(jié)構(gòu)層間位移角，要滿足規(guī)范對地震基底剪力與重力荷載代表值的比值限制；
9、控制結(jié)構(gòu)底部加強區(qū)剪力墻及其它部分剪力墻、框支柱及非框支柱軸壓比。
五、結(jié)束語
帶轉(zhuǎn)換層復雜高層建筑結(jié)構(gòu)能滿足建筑物上、下不同使用功能的要求，但該類結(jié)構(gòu)由于上下剛度突變，豎向構(gòu)件不連續(xù)，屬于不利于抗震的結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個難點，更是不同形式結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵點，設(shè)計時應不斷研究和進行方案比較。本文通過建立不同分析模型對某高層商住樓框支剪力墻結(jié)構(gòu)進行了計算分析，探討了結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層轉(zhuǎn)換方式的優(yōu)缺點，提出了轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計計算要點。
參考文獻
[1]. 唐興榮.高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工[M].中國建筑工業(yè)出版社.2002(1)：27-41
[2]. 李國勝.關(guān)于底部大空間剪力墻結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層設(shè)計[J].建筑結(jié)構(gòu).2001.31(7)：39-42
[3]. 曾波,杜詠.南京市某高層商住樓框支剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].建筑科學.2000.16(5):30~35
[4]. 謝定南,任旭,崔青.高層公寓框支-剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的幾項措施[J].建筑技術(shù).1999.30(2):113~114
[5]. 季靜,韓小雷,楊坤,鄭宜.帶主次梁轉(zhuǎn)換層的超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].結(jié)構(gòu)工程師.2005.21(2):1~4,16
