浅谈小高层建筑框支短肢剪力墙结构设计

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摘要：本文结合工程实例，分析了框支短肢剪力墙结构形式的特点、适用范围、结构构件设计及构造措施等, 提出了设计此类结构时应注意的一些问题, 以期指导实践。

关键词：工程实例；框支短肢剪力墙；

框支短肢剪力墙结构出现时间较晚。近年来，随着该结构形式的推广，但设计中存在的转换层上首层标准层墙肢容易超筋及转换层角柱位移较大等问题，对这类结构安全性的评估已十分必要。

1.工程概况

实例分析的对象为南宁市某房地产开发的一大型商住综合性的小高层建筑。该建筑下部一层为商业用途，上部为住宅，主体结构形式为典型的框支短肢剪力墙结构，结构总高度39m，地面首层为6米层高的商铺和超市，二层以上为标注层高3米的住宅10层。1层为购物超市的超市的区域采用框支结构形式；2-10层为公寓式住宅，采用短肢剪力墙一筒体结构；11层（屋面突出部分）为电梯机房；基础采用梁筏基础；结构转换层设在2层，采用深梁转换。整个小区项目结构为八个塔楼，根据受力特点，对结构沿首层大底盘用分隔缝或后浇带的方式进行了分隔；将一号塔楼连带其底部群房单独提出作为分析对象。根据本工程特点结构设计需处理好以下2个问题:首先是首层转换结构的选择,其次是上部短肢剪力墙的合理布置。

结构抗震等级首层为二级抗震，2-11层为三级抗震。场地土类型为11类场地土。按最新抗震设计规范规定，东莞地区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，场地特征周期值0.35s。

2.概念设计与结构布置

本工程属于复杂高层建筑结构中带转换层的结构类型,转换层在首层，因为首层商业功能的需要，上部需要转换的墙肢比较多。底部加强部位剪力墙及框支柱抗震等级为二级,底部加强部位以上标准层剪力墙抗震等级为三级,短肢剪力墙抗震等级为二级。

2.1转换结构选型与布置

由于结构竖向传力构件的不连续,造成结构上部荷载不能直接传给下部对应构件,而是通过转换结构的内力重分配,再向下传递。因此,转换构件相当重要而且受力比较复杂,必须保证转换结构可靠有效的工作。带转换层的高层建筑结构有其自身的结构弱点和缺陷,因此《建筑抗震设计规范》和《高层建筑混凝土结构技术规程》对其作出了严格的规定。常见的结构转换形式有梁式转换、厚板转换、箱形转换、桁架转换,斜柱转换等等,相对而言,梁式转换受力明确,传力简洁,计算模型简单,计算软件比较成熟,而且施工方便[34]。本工程设计选用梁式转换。由于转换层上下结构形式不同,常常使得结构刚度在转换层上下形成突变,对整体结构抗震极为不利,应极力避免出现这种情况,注意转换层上下主体结构的层间侧向刚度均匀。为此,一方面应保证落地剪力墙肢的数量,适当增加底部墙肢厚度,框架柱断面适当增强,以加强底部刚度;另一方面应尽量拉大上部剪力墙的间距,减小墙肢长度和数量,改变墙厚等,调整转换层上下刚度,使其变化均匀,过渡平稳,等效侧向刚度尽量接近[35]。为减少上部结构刚度,采用短肢剪力墙与筒体、一般剪力墙共同抵抗水平力的剪力墙结构。转换层以上剪力墙部分墙肢截面高厚比为5~8,属于短肢剪力墙。框支柱是转换梁的支撑构件,其上作用的荷载比较大,而且,往往转换梁的刚度比框支柱大得多,为保证结构破坏不出现柱铰机构的不利破坏形态,必须保证框支柱具有足够的延性和变形能力,以耗散地震能量,减轻震害,因此,设计时控制框支柱的轴压比小于0.6,体积配箍特征值应比规范规定框架柱数值增加0.02,且配箍率不应小于1.5%,柱箍筋全高加密,柱纵向钢筋全部采用机械连接。转换层结构的结构形式,除要注意满足刚度、强度、延性的要求外,还要注意保证楼盖的刚度。转换层楼面受力较大,除协助转换梁工作外.楼盖还要承受将上部竖向构件传来的水平力传递到下部结构竖向构件上去。为此转换层楼盖板厚度取20cm,利于力的传递。

2.2钢筋混凝土剪力墙住宅结构设计

墙肢结构设计按照抗震设计要求,结合建筑平面布置在窗间墙及房间四角等布置成L形、T形或十字形短肢剪力墙和一般剪力墙。短肢剪力墙结构抗侧移刚度主要取决于各墙肢刚度以及墙肢总量,墙肢太短或墙壁率太小,则结构刚度小,水平地震作用下位移偏大,影响承载力、稳定性和正常使用。反之,结构刚度偏大,地震作用大,构件配筋增大甚至超筋,形成浪费。抗震设计时,筒体和一般剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不小于结构总底部地震倾覆力矩的50%。短肢剪力墙抗震等级比一般剪力墙抗震等级提高一级采用。其轴压比不大于0.6。

2.3本工程实例结构构件设计及构造措施

2.3.1梁、板的设计

本工程梁、板受力均按线弹性方法计算，考虑活荷载不利布置，与土壤接触的梁、板按计算弯矩、剪力及0.2mm裂缝宽度共同控制配筋，其余楼板按照计算弯矩、剪力及0.3mm裂缝宽度共同控制配筋，地下室为超长结构，除设置了后浇带外，其梁、板同时考虑了温度应力的作用。楼板厚度主要设计为l00mm厚，对大跨度楼板根据跨度加厚楼板至120m--150rm，对6.0X6.0米间隔的大板，在板面无负筋的区域另加φ8@200双向钢筋网与板负筋搭接连结。首层（转换层）顶板设计为180m厚，转换层上部第一个标准层楼板设计为120mm，其余层电梯前室因为结构加强及预埋线管的原因，楼板厚度设计为150mm，屋顶楼板为120mm，这几处均做了重点加强，采用双层双向配筋。梁的配筋率控制在0.45％～2.2％之间，对剪力墙开洞形成的跨高比小于5的梁按连梁设计，当跨高比大于等于5时，按框架梁进行设计。为减少梁、板结构因混凝土水化热而产生的温度裂缝，采用梁、板的混凝土强度等级低于柱、剪力墙混凝土强度等级1 2个级别，这样既减少了温度裂缝又节省了混凝土造价，同时构造配筋也减小了，降低了含钢量，取得了一举多得的效果。

2.3.2短肢剪力墙设计

短肢剪力墙在二至四层为转换层上部的加强部位，抗震等级按提高一级做加强处理措施，墙厚加厚至250mm～300mm，轴压比控制在0.5以下，对约束边缘构件及墙身的配筋做了一定的加强。四层以上按抗震等级三级短肢剪力墙要求设计，墙厚减薄至200mm---250mm，轴压比控制在0．6以下，其构造边缘构件纵筋按0．8％控制，箍筋的配箍特征值按0.1控制。为了增加结构整体扭转刚度，减少扭转变形，对角窗部位的剪力墙及边缘构件也做了特别的加强。

2.3.3框支框架、框支剪力墙设计

通过计算分析结果可以得出，框支柱顶及框支梁均出现较严重的应力集中现象，说明此处最容易破坏，需要加强。框支柱、梁截面配筋设计时比较TAT分析结果和SATWE分析结果，偏安全地取大值。框支柱、框支梁的抗震等级均提高至二级，本着“强剪弱弯"的原则，所有框支梁均采用φ12@100四肢箍全长加密。为实现“强柱弱梁，更强节点”的抗震设计目标，按二级抗震要求验算框架节点。转换层之上的三层剪力墙，由于结构刚度突变，引起内力集中，墙肢和连梁配筋以SATWE和TAT较大的计算结果做为设计依据，并适当放大加强。

3.结论

本文在对框支短肢剪力墙结构进行理论探讨的基础上，针对几个主要问题进行了实例分析。现将分析的主要结果及宜采取的相应措施归纳总结如下:

对于层数不超过18层，高度小于50m的小高层建筑而言，框支短肢剪力墙结构在转换层的梁柱板截面尺寸取值较大，具有足够刚度，且上部结构楼层质量中心与剪切中心相差不大的前提下，其转换层工作状态是稳定可靠的。但框支短肢剪力墙结构是抗震不利的结构体系。设计时不仅要求整体结构的平面布置合理、竖向布置合理、周期位移控制合理还应该重点考虑转换层布置。对于平面不规则的框支剪力墙结构，由于结构平面和竖向刚度分布不均匀，往往形成中间侧向刚度大，周边侧向刚度小，造成结构扭转效应明显，故在控制好转换层上、下侧向刚度的同时，应强化角部的剪力墙及柱刚度，弱化中间部分的剪力墙及柱刚度，使整体结构满足周期比、位移比要求，加强结构的抗扭性能。鉴于短肢剪力墙在框支柱上的支承方式类似于点支承，从提高结构安全储备的角度考虑，对支承节点及相应框支梁框支柱在设计时应该根据相关设计规范宜提高抗震等级，并着重验算框支梁最大裂缝宽度及最大挠度。