探讨高层建筑框剪结构设计

利可洋

摘要：框剪结构体系具有较大的侧向刚度，布局灵活，有利抵抗水平力，在地震荷载作用下又能较好地吸收地震能量，具有良好的抗震性能，因此被广泛用用设计中。本文针对高层建筑框架剪力墙结构设计进行了探讨。

关键词：高层建筑；框剪结构；设计

1 工程概况

某商业楼位于广东东莞，为地上14层地下一层建筑，建筑屋面结构高度46.2m，底层层高为4.5m，标准层3m。地上地下总建筑面积1.8万m2。标准层活载展厅功能取为3.5kN/m2，办公楼取值2.0kN/m2，机房取7.0kN/m2。考虑隔墙自由布置特点，活载增加每延米墙重/3的数值。

考虑大空间及结构高度的需要，结构抗力体系为框剪结构。2、3层结构平面如图1，标准层结构平面如图2。由图可见，因甲方建筑外观的要求，建筑北侧及东侧墙面因安装玻璃幕墙及建筑效果缘故，不允许设置剪力墙，只能在西部南部及楼梯间布置剪力墙以控制位移。但楼电梯间布置也较偏，这样造成了结构质心和刚心不重合，造成了扭转不规则。但从平面规则性和竖向布置规则性角度看，结构均属于较为规则，无开大洞大凹进也并无明显竖向刚度突变。

主要设计条件计算参数如下：结构安全等级为丙类，抗震设防烈度为7度，地震加速度为0.10g。场地类别为IV类，场地土无液化，特征周期按上海规范取0.9S，风荷载基本风压0.55kN/m2，地面粗糙度为B类。初步计算下，剪力墙承担抗倾覆力矩均在50%以上，因此按框架剪力墙类型来决定抗震等级。因此，根据《建筑抗震设计规范》6.1.2及6.1.3.1条，决定框架抗震等级为三级，剪力墙为二级。结构计算采用PKPM-SATWE软件进行。框架剪力墙结构按高规考虑0.2调整系数。顶部塔楼地震力放大系数取2.0。

图12、3层结构平面图

图2标准层结构布置图

2 设计计算分析

2.1 位移控制

根据抗震规范，弹性位移角应控制在1/800以内。另根据地方抗震规范，首层弹性位移角应控制在1/2000以内。

2.2 结构规则性要求

最大层间位移与平均层间位移比不得超过1.5，宜控制在1.2范围内，第一扭转周期与第一平动周期比值应小于0.85。并不出现竖向刚度突变，剪力墙上开洞宜对齐。因属于扭转不规则结构，应考虑双向地震下扭转效应。

2.3 刚度比要求

地下室刚度大于首层刚度2倍，应采用剪切刚度计算方法计算，且地下室范围为主体结构45放脚投影线确定。

2.4 消除连梁抗剪不满足及超筋现象

剪力墙连梁虽然在计算中考虑使其首先产生塑性铰，并计算内力重分布。但实际模型计算中，连梁起到的作用是将每层分配到的地震力传递给墙肢，时常出现抗剪不够的情况。调整主要是考虑整体规则性的情况下，加强连梁抗剪能力。

2.5 初步计算分析

考虑以上计算要点，整体考虑下，本工程Y向剪力墙布置在X方向上布置尽量做到均匀，使结构重心与剪力墙刚心基本重合。而X向剪力墙，由于建筑布置的缘故，剪力墙集中于南面，两心有一定偏差，将造成一定扭转。经过计算，基本结果如下：

X向位移角1/945，Y向1/812，已满足。且首层位移角控制在1/2100，也满足上海地方抗震规范要求。因地下室人防墙体较多，1层与地下室刚度比在剪切刚度计算方法下控制在32%左右，已满足2010年抗震规范要求。X方向地震作用下，最大层间位移与平均层间位移比值最大为1.26，Y方向地震力作用下，最大层间位移与平均层间位移比值在1.23。虽然属于扭转不规则，但并未超越1.5倍的限值。

在8、9层的边跨剪力墙连梁处，出现了连梁抗剪不满足。出现于A轴边跨。截面为350×500，抗剪截面不满足主要出现在8～10层。最大剪力为631kN，而抗剪能力0.25fcBho=545kN，不满足。

3 优化设计分析过程

3.1 第一次优化设计

将该处两根连梁放大至350×800，抗剪计算得到了满足，但是出现新的问题，Y向位移角扩大至1/769，最大位移节点出现在东南侧角部(见图2)，不能满足规范的要求。同时，扭转效应也迅速增大，最大层间位移与平均层间位移比值扩大至1.44，显然向更不利方向发展。2层底部加强区，电梯间处，出现墙暗柱超筋。同时在南部楼梯间连梁也出现抗剪不足。这一现象证实了引言中所述，框架剪力墙结构各项计算结果数据往往密切相关，不可能只进行局部调整就满足整体结构的抗力要求。因此，不得不进行第二次调整。

3.2 第二次优化设计

一般位移不足的调整方法，通常为对最大位移处的进行加强，在本工程中，采用放大角柱处的柱大小和剪力墙厚度方法。将该最大位移节点处柱放大至800×800，墙宽放大到400(建筑所允许的最大墙宽)。经过计算，位移虽然有所变小，但是仍旧不在规范允许范围内，位移角1/788，而且，连梁抗剪不满足的问题仍旧存在，最大位移与平均位移的比值还是在高位达到1.4。由此可见，这样片面的调整方法无法解决整体建模分析计算的问题。

3.3 第三次优化设计

整体观察第一次调整的问题，主要是加强了西侧墙体连梁刚度截面后，导致东侧刚度相对整个结构骤然减少，使得结构规则性降低，使结构受扭效应显著提升，并使得部分墙肢受力不均而造成超筋。而本身在建筑物东部的连梁相对于他们所需承担的应力传递和分配的任务相比，350×500的截面明显不够。因此，第二次调整的方法片面局部加强角柱是不能达到预期效果，必须整体考虑。尽管对框剪结构位移扭转等数值的调整最有效的方法是增大剪力墙长度或截面，但是由于建筑对剪力墙布置有一定限制，而连梁和与墙连接的梁在整体结构力传递中起到的作用也必须被重视。加上第一次调整也主要是放大了连梁，因此，本次调整主要从与剪力墙相连的梁及连梁微调整着手。放弃第二次调整的修改，经与建筑协商，将电梯前室纵向梁放大至300×700，南部楼梯间及厕所处窗洞上连梁放大350×1000(如图1、2)。

经过计算，结构明显改善了整体传力协调性，扭转效应指标，最大位移与平均位移比缩小至1.2～1.3之间，消除了2层的剪力墙边缘构件超筋及上部几层出现的连梁抗剪不满足。并且，最重要是，由于对东南部分的剪力墙连梁加强，使得结构位移控制重新达到规范允许范围内，最大层间位移角控制在1/830。已满足规范对框架剪力墙结构各项要求。

4 设计要求规范

(1)本工程放大连梁的调整方法，需要注意规范对连梁有剪跨比不小于1的要求，如果在计算中连梁剪跨比过小，应该在实际设计中，采用水平缝将梁分为两段。

(2)本工程的调整是在建筑要求严苛情况，不得已而进行的局部微调。如建筑条件允许，可以通过对结构的整体布置优化，达到更完美更规则的调整效果。

5 结语

总之，框剪结构结合了两种不同的结构优势，又制约了各自缺陷，可以在工程上广泛应用。为目前体型越来越复杂的商业高层建筑提供结构设计上的可行性。结构设计应该在整体考虑下进行结构布置，计算后在整体考虑概念中调整修改，不惜调整多次，最终得以很好地完成该类结构的设计计算工作。

参考文献

[1] 石健，高层建筑框剪结构设计探讨[J]广东建材，2007.12

[2] 张丽，公共建筑框剪结构设计浅析[J]建材世界，2010.10

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。