现代化高层框支剪力墙转换层结构设计探讨

蒋枫 倪华英

摘要：本文介绍了框支剪力墙结构的设计，包括结构概念设计、结构选型、抗震等级确定、结构布置、结构三维整体分析和转换构件的构造要求等，其中，梁式转换层是实现垂直转换最常用的结构形式。并应严格结构在地震作用下的位移值和扭转效应，使结构布局合理。

关键词：高层建筑；结构框支剪力墙；转换层概念设计

一 剪力墙结构设计及计算优化

（1）剪力墙结构设计方面的优化

在剪力墙结构中，剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向布置，形成空间结构；抗震设计的剪力墙结构，应避免仅单向布置剪力墙，并宜使两个受力方向的抗侧刚度接近，以使其具有较好的空间工作性能。剪力墙的抗侧刚度及承载力均较大，为充分利用剪力墙的能力，减轻结构重量，增大剪力墙结构的可利用空间，墙不宜布置太密，使其结构具有适宜的侧向刚度。

剪力墙墙肢截面宜简单、规则，剪力墙的竖向刚度应均匀，剪力墙的门窗洞口宜上下对齐、成列布置，形成明确的墙肢和连梁，应力分布比较规则，又与当前普遍应用的计算简图较为符合，设计结果安全可靠。宜避免使墙肢刚度相差悬殊的洞口设置，当剪力墙的洞口布置出现错洞、叠合错洞时，墙内配筋应构成框架形式。

较长的剪力墙宜开设洞口，将其分成长度较均匀的若干墙段，墙段之间宜采用弱连梁连接，每个独立墙段的总高度与其截面高度之比不应小于2，以避免剪力墙产生脆性的剪切破坏。抗震设计时，应尽量避免在洞口与墙边或在两个洞口之间形成墙肢截面高度与厚度之比小于4的小墙肢。当小墙肢截面的高度小于墙厚的4倍时，应按框架柱设计，箍筋按框架柱加密区要求全高加密。

剪力墙的特点是平面内刚度及承重力大，而平面外刚度及承载力都相对很小，应控制剪力墙平面外的弯矩，保证剪力墙平面外的稳定性。当剪力墙墙肢与其平面外方向的楼面梁连接时，应采取足够的措施减少梁端部弯矩对墙的不利影响。

剪力墙布置对结构的抗侧刚度有很大影响，剪力墙宜自下到上连续布置，避免刚度突变；允许沿高度改变墙厚和混凝土强度等级，或减少部分墙肢，使侧向高度沿高度逐渐减小。剪力墙沿高度不连续，将造成结构沿高度刚度突变，对结构抗震不利。

在进行剪力墙设计时，应通过结构分析，在满足最大层间位移、周期比、位移比的各项指标确定每层剪力墙的厚度时，同时考虑不同抗震等级轴压比的影响及稳定性和相关构造要求。对于普通的住宅建筑在7度和8度地区，墙厚大多数情况下是按稳定和构造要求所控制的。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》确定的剪力墙允许高厚比。

（2）剪力墙结构计算方面的优化；

在设计剪力墙结构时，应根据规范要求综合考察结构是否合理，如剪力墙结构的刚度不宜过大，在满足楼层最大层间位移与层高之比满足规范的基础上，以规范规定的楼层最小剪力系数为目标，使计算结果无限接近规范值。

（3）楼层最小剪力系数的调整原则；

在满足短肢剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩占结构总底部地震倾覆力矩不超过40%的前提下，尽可能减少剪力墙的布置，以大开间剪力墙布置方案为目标，使结构具有适宜的侧向刚度，使楼层最小剪力系数接近（不小于）规范限值。这样能够减轻结构自重，有效减小地震作用的输入，同时降低工程造价。

（4）楼层最大层间最大位移与层高之比的调整原则；

规范规定在计算多地震作用的楼层最大层间位移时，以楼间弯曲变形为主，计入扭转变形，可不扣除结构整体弯曲变形。因此，对于高层建筑应尽可能扭转变形最小，但又不能仅根据这些层间位移不够不加分析地增加竖向构件的刚度。

（5）连梁超限的调整原则；

《高规》规定剪力墙长度不宜大于8m，当大于8m时，宜采用弱连梁将其分开。同时还规定跨高比不小于5的连梁宜按框架梁进行设计；有地震作用组合时，对于高跨比大于2.5及小于2.5两种情况，在截面受剪承载力及配筋方面有不同规定。为此应将连梁进行塑性调幅，以降低剪力设计值。塑性调幅可采用两种方法：

1.在内力计算前将连梁刚度进行折减；

2.在内力计算之后，将连梁弯矩和剪力组合值乘以折减系数。无论采用何种方法，连梁调整后的弯矩、剪力设计值不应低于使用状况的值，也不宜低于比设防烈度低一度的地震组合所得的弯矩设计值，以避免在正常使用条件下或较小的地震作用下连梁出现裂缝。

二 框支层结构优化设计

框支剪力墙结构的薄弱部位在框支层，故加强其延性，提高抗震性能是十分重要的。

（1）增加墙量及刚度

建筑功能要求大空间，不能设置更多的落地剪力墙，故在不影响功能的情况下，争取有可以落地墙体，以增加框支层墙量及刚度。

（2）采用钢纤维混凝土，提高抗震性能

为提高框支层抗震性能，提高其延性，国内已有工程采用型钢混凝土结构及配有构造纵向钢筋及螺旋箍筋的钢筋混凝土柱。框支层竖向构件包括墙和柱，采用钢纤维混凝土，1m3混凝土内钢纤维掺量为80kg，可提高抗拉强度设计值约35%，提高抗剪强度设计值约50%。除强度提高外，钢纤维混凝土与普通混凝土同时使用，不需要采取特殊的构造措施，因此可用于设计需要加强的部位，而不需要的部位可以不用，具有较大的灵活性。

三 转换层的优化设计

（1）特殊框支梁的设计

按规范要求转换层上部的剪力墙宜直接落在框支主梁上，但转换层上下部轴网不重齐，有时很难完全做到。可以设计成等高交叉框支主梁，以满足规范的要求。

（2）框支梁的计算与构造

1、框支梁计算采用SATWE程序，并用FEQ程序进行复核。

2、应满足按规范要求框支梁上、下部纵向钢筋最小配筋率。框支梁的箍筋沿全跨加密。

3、框支梁的断面上下部纵向钢筋均直通到框支柱内。以上构造均满足规范要求。

（3）转换层楼板

按规范要求楼板厚度不宜小于180mm，应双层双向配筋，且每层每方向的配筋率不宜小于0.25%，楼板中钢筋应锚固在边梁或墙体内。

（4）转换层设计中应注意的问题

1、要保证大空间层有充分的刚度，防止沿竖向刚度变化过于悬殊。抗震设计时，要控制转换层上下层刚度变化率，使之尽量接近1，不大于2。为此可以采取控制落地剪力墙的比例，加大落地墙的厚度，提高砼的强度等级，减小洞口尺寸，使纵横连接形成筒体，还可以增设补偿剪力墙，来增加空间层的刚度。

2、复杂受力构件，进行空间分析整体计算后，一定要截取框支梁上下两层作为计算单元，进行有限元分析计算。框支梁的截面尺寸由剪力控制，截面高度可取跨度的1/5～1/7，必要时加腋梁。在构造上要采取措施，提高框支梁和上部墙体整体受力性能，放大框支柱柱头并直通框支梁的顶部，解决框支梁的剪力传递。 3、转换層位置较高的高层建筑不利于抗震，转换层位置设定要符合抗震设防烈度要求。为保证结构的安全，和地震作用下落地剪力墙和框支柱不先于转换层上部结构进入屈服状态，要使大空间层的安全系数大于上部。要严格控制框支柱的轴压比和柱端抗剪强度。试验资料表明，转换层楼板有变形，大空间部分框支柱的位移增大，从而使框支柱的剪力比计算值大了很多。因此底部大空间楼层框支柱的内力不能直接采用楼板刚度无限大的假定计算结果，抗震时框支柱的轴压比控制在0.6以下，箍筋采用复合箍，间距不大于100mm，以增大柱子的延性。

五.结束语

总体来说结构竖向构件传力不连续性，造成结构上荷载不能传递给下部对应的结构构件，而是通过转换结构的内力重分配，再向下传递给下部结构的竖向构件，故转换构件相当重要而且受力非常复杂，保证转换结构正常地、可靠地、有效地工作是结构设计的重点。