框支剪力墙优缺点分析

某高层建筑结构优缺点分析

摘要:针对某项目的一栋框支剪力墙结构的单体建筑进行结构分析，主要通过对结构层转换和提高结构的抗扭承载力及采用空间有限元法和时程分析计算手段的描述，阐述了框支剪力墙这样一种结构的适用范围和优缺点。

关键词:框支剪力墙;刚度变化;结构转换;扭转效应

1．工程概况

我所选择的工程项目位于长沙市雨花区,由7栋高层组成,地下有两个相互连通的一层地下室。其中1号栋地上27层,地下1层,由A、B、C三个单体组成,单体之间设260mm宽的缝彼此脱开。针对其中的B座的结构进行具体的分析。

2.上部结构设计

该工程上部结构具体设计指标如下：

工程抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度值为0.05g,设计地震分组为第一组,场地土的类型为中硬场地土,建筑场地类别为(类,设计地震特征周期值为0.35S。B座为框支剪力墙结构。框支框架抗震等级为二级,底部加强部位剪力墙抗震等级为二级,非底部加强部位剪力墙抗震等级为三级。

B座上部剪力墙不允许落地,为实现底层用作商店或停车场而需要的大空间，因而采用底层为框架的剪力墙结构，即框支剪力墙体系。这种体系刚度比全剪力墙体系差，比框架-剪力墙墙体系好。

这种体系既有框架结构布置灵活、使用方便的特点，又有较好的抗侧能力，在实际工程中应用较为广泛。在整个体系中，框-剪同时存在，剪力墙负担大部分的水平荷载，而框架则以负担竖向荷载为主，两者共同受力、合理分工，各尽所能。

由于框支剪力墙体系结构中的局部，部分剪力墙因建筑要求不能落地，直接落在下层框架梁上，再由框架梁将荷载传至框支梁、框支柱上。这样的做法通常是通过设置转换层来实现的。

2.1结构转换

由于该类型结构由于竖向构件不连续，结构竖向刚度会产生变化。转换层上部的刚度大于下部的刚度，转换层上下楼层构件内力、位移容易发生突变，转换层位置较高时，内力和位移的突变更剧烈，并易形成薄弱层。有核心筒的框支短肢剪力墙结构由于上部墙肢较短，侧向刚度较小，上部结构较柔，使转换层上、下的刚度比较普通的框支剪力墙结构更容易控制，只要适当加大落地剪力墙厚度和提高下部大空间层的混凝土强度等级，上下层刚度比就很接近1了，因而这种结构体系的抗震性能优于普通的框支。

该工程层3以上为剪力墙小户型住宅,层1、2为商业、娱乐用房,需要较大开间及空间,上部的短肢剪力墙无法落地,因此存在结构转换问题。针对工程实际情况,并考虑到造价的因素,在转换层设置转换大梁,以承托上部短肢剪力墙。由于转换梁承托着上部24层的剪力墙,受力很大,因此需要很大的截面和配筋,即需要转换层下层有较大的层高。

按照抗震规范表3.4.2-2对于侧向刚度不规则的定义,尽量使层2与层3的侧向刚度比大于70%。经与建筑专业人员协商,在转换层以下部分山墙两端及房间开间两侧设置剪力墙,加大房屋的整体刚度及抗扭刚度。同时转换层以下不设管道层,在3米标高处设置管道通廊,将设备管道由此引出室外,从而将转换层下层的层高由5.4米降到4.8米。经过计算,满足了侧向刚度规则的要求,该转换层结构方案传力途径明确,受力状况相对简单,对框支构件另采用平面有限元的程序进行单独分析,并与总体计算结果对比,以保证关键构体的抗震安全。值得注意的是,转换层大梁不是框支梁。框支梁上部承托完整的剪力墙需满足高规规定的条件,框支梁整截面受拉。转换梁和普通梁一样单面受压或受拉,在构造要求上与框支梁不同。高规对框支梁的构造有非常详细的要求,对转换梁的规定很少。结合以往的工程经验,转换梁在满足框支梁混凝土强度等级、开洞构造要求、纵向钢筋、箍筋构造要求以外,还需要满足已下两点。

(1)转换梁断面宜由剪压比控制计算确定,以避免脆性破坏和具有合适的含箍率,适宜剪压比限值在有地震作用组合时,不大于0.15。

(2)转换梁腰筋构造以梁高中点为分界,下部腰筋间距100,上部腰筋间距200,直径不小于18。

防止刚度突变是框支-剪力墙结构设计的重点。我认为这种突变表现在两个方面：一是转换层上数层和转换层下部的刚度突变;二是转换层与转换层下一层的刚度突变。因为换层有很大的转换梁,一般达到1500-2000mm高而其下一层为一般梁,仅500-600mm高,如转换件较多,这种刚度的变化必然较大。另外因为建筑用功能的要求,一层建筑净空较高且其下为人防工又需覆土0.8-1.0m。所以造成一层结构层高较高,多为6米,而二层即转换层层高仅为4米,进一步增了转换层本层刚度,造成刚度的突变。解决这个问题,可针对上述两个原因寻求考虑,一可以在转换层及其下一层布置的墙上,取其墙厚较大,提高侧向刚度中墙柱的份额,以减少梁的刚度响；二是可以和建筑专业协调,将设备转换层置于二层。由于三层以上为住宅,其水暖管道布置和下部业有很大的区别,必然存在一个设备的转换,过去做一个设备转换层,但其形成的短墙、短柱对结构震极为不利,因此可以提高二层结构层高做一个吊顶,以减少转换层本层和其下一层的刚度差。

对于转换层的上一层,因为住宅层高一般为2.9m，而墙较多,在许多的设计中,设计者往往按照一般剪力来布置,取墙较密且墙长很长,造成上、下层刚度比难满足要求,不得不加大下部的墙数量及厚度,但多又因用功能的限制,墙不能布置在合理的位置上,造成建筑偏心加大,抗震不利,所以如采用一般的剪力墙的长度很难满足规范的规定。方法还是要从上部解决,要采短墙和大开间的布置,减少上部的刚度,同时可提高下的墙厚,而减小上部的墙厚,因上部墙的数量较多,减墙厚作用比较明显。

通过以上分析,可使整体结构刚度基本均匀,概念设计方面给与保证,再满足计算和构造上的求,就可使结构安全得到基本的保证。同时,上部柔的结构也利于地震力的消耗,降低了结构的造价。

2.2结构抗扭

工程采用广厦结构计算程序按平扭耦联进行抗震计算分析。在结构初步计算时,没有对剪力墙的平面布置作出适当调整,结构扭转为主的第一自振周期压与平动为主的第一自振周期下之比为0.96,扭转周期偏大。由于实际条件的限制,建筑专业能做的调整有限,只能由结构专业采取措施:即通过加强结构的抗扭刚度,从面提高结构的抗扭能力,当结构出现扭转时也能保证安全。从力学基本概念可知,构件离质心越远,其抗扭刚度就越大。所以,在建筑物外围尽可能布置抗侧