某高层商住楼框支剪力墙结构设计与分析
关键词：高层建筑；转换层；框支梁；框支柱
一、工程概况
常州市某高层商住楼，是集商业、住宅于一体的综合性高层建筑。该工程地下一层，层高5.15m，布置设备用房、地下水池及公共自行车泊位。地上1层为商业用房，层高4.5m，2层以上为剪力墙结构住宅，层高为3.0m，为实现这种底部大开间与上部剪力墙之间的转换，在主楼2层设置结构转换层，以传递竖向荷载和水平荷载。21层以上为机房和屋顶水箱。室外地坪以上主体高度为65m。建筑平面如图1，2所示。
二、结构方案确定
带转换层的复杂结构已逐渐成为竖向不规则高层建筑中经常采用的一种满足其建筑功能及美学要求的结构布置方式。同时，由于转换层结构有其自身的结构弱点，因此《建筑抗震设计规范》和《钢筋混凝土高层建筑结构设计规程》都对其做了严格的规定，特别是对高位转换的结构做了更为严格的规定，由于总体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。本文结合本工程建筑方案的要求，对转换方案进行多方比较。
如图1，2所示，由于该建筑功能的特殊要求，导致了上部框支剪力墙轴线与底部框支框架错开较多，初步方案拟采用板式转换层，这样可以解决众多轴线错开的问题。厚板的厚度根据柱网尺寸、上部结构荷载综合确定。板式转换层的优势在于，下部柱网受上部结构布局影响较小，可灵活布置。厚板刚度很大，形成一个承台，整体性较好，而且施工也较为便捷。但厚板转换的传力途径不清楚，受力也十分复杂，同时为满足抗剪和抗冲切的要求，初步计算板厚需要2.2～2.8m左右，厚板的巨大重量势必会增大下部竖向构件的强度设计要求，同时，由于厚板的质量集中在结构中部，使得结构整体振动性能复杂，且该厚板转换层刚度远大于下层刚度，容易产生应力集中，地震反应强烈，对抗震十分不利〔1〕。并且材料耗用多，经济性也较差。综上，厚板转换层对本工程并不适用。
梁式转换层具有传力直接明确，传力途径清楚的优点，并且转换梁受力性能好，施工也比较方便。经与建筑、业主多次协商，调整建筑图，尽量保证转换梁直接承托上部剪力墙，减少转换次数，避免主次梁的复杂转换形式。框支主次梁平面图如图2所示（为表达清楚，图中忽略转换构件以外的平面图，图中灰色部分为底部框支结构，黑色部分为上部框支剪力墙）。
三、整体结构计算分析
为分析主次梁方案的可行性，采用SATWE、PMSAP对该结构进行整体对比计算.抗震等级：框支框架、底部加强区均为一级；风荷载按百年一遇取0.45Kk/m2；地震作用按剪弯刚度计算并考虑扭转耦联，共计算24个振型（图中仅列出前三个振型数据），计算结果见表1。
由表1计算结果可以得出以下结论：
1）结构第一第二振型均为平动振型，第三振型为扭转振型，且结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比均小于0.85，满足规范要求；
2）软件整体计算侧向刚度时给出了三种计算层侧向刚度的方法：a.剪切刚度；b.剪弯刚度；c.地震剪力与地震层间位移的比。按“剪弯刚度计算”时，转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比γe均小于1.3。满足规范要求。
3）最大层间位移与平均层间位移比均小于1.4，满足规范要求。
四、整体结构设计关键技术措施
由于框支剪力墙结构上下刚度突变，竖向构件不连续，传力复杂，在地震作用下框支层容易产生很大的内力和塑性变形，易造成震害，属于不利于抗震的结构。但框支剪力墙结构可满足建筑物上、下不同使用功能的要求。因此，当建筑方案确定后，为改善抗震性能，减轻自重并节省投资，应进行合理的设计计算。结合工程实践，本文总结了以下梁式转换结构设计的关键技术措施。
1、合理布置底部大开间柱网，尽量使转换梁直接承托上部剪力墙，减少转换次数，缩短传力路径，避免主次梁的复杂转换形式；
2、为保证结构沿竖向刚度均匀变化，应设法争取尽可能多的上下贯通构件。同时加大落地剪力墙的厚度，提高落地剪力墙混凝土强度等级，减小洞口尺寸，使纵横墙尽量连接形成筒体，可以增大底部大空间的刚度；
4、严格控制转换层上下结构的侧向刚度比，保证底部大空间层有足够的刚度，防止竖向刚度变化过于悬殊。
5、强化下部框剪结构，弱化上部剪力墙结构。按开间扩大上部剪力墙间距，不但能减少混凝土用量，也有利于减小刚度；较长的上部墙体留设结构洞，洞用轻质墙体填充，亦可有效地减小剪力墙结构的刚度。
6、加强转换层楼板平面内的整体性和侧向刚度，采用现浇混凝土楼板，同时加强转换层上、下一层楼板平面内刚度，本项目转换层板厚取为200mm，相邻层板厚取为150mm，均采用双层双向布筋；结构布置尽量左右对称，加强薄弱部位楼板的厚度及配筋；
7、通过调整剪力墙的布置方式，使结构质心和刚心接近，避免扭转；
8、控制风荷载和地震作用下结构层间位移角，要满足规范对地震基底剪力与重力荷载代表值的比值限制；
9、控制结构底部加强区剪力墙及其它部分剪力墙、框支柱及非框支柱轴压比。
五、结束语
带转换层复杂高层建筑结构能满足建筑物上、下不同使用功能的要求，但该类结构由于上下刚度突变，竖向构件不连续，属于不利于抗震的结构。转换层结构设计是结构设计的一个难点，更是不同形式结构体系转换的关键点，设计时应不断研究和进行方案比较。本文通过建立不同分析模型对某高层商住楼框支剪力墙结构进行了计算分析，探讨了结构转换层转换方式的优缺点，提出了转换层结构的结构布置、结构分析与设计计算要点。
参考文献
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