框支剪力墙设计

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[摘要] 通过对淄博市临淄区一带转换层高层结构主要设计过程的介绍，重点讨论了结构选型、分析计算及抗震措施，并针对框支转换特点，从结构布置到关键构件的选取提出了相应的应对措施。经过多种模型、多种软件的比较分析及弹性时程分析、框支剪力墙有限元计算表明，该工程各项计算比较理想，所采用的措施比较合理，设计满足规范要求。
[关键词] 转换层，高层，抗震设计
 
1        工程概况
凯利世龙城位于临淄区西北部，杨坡路以东，齐兴路以南。由于建筑功能要求，本小区 11#楼地上一、二层为商业用房，三层至十六层为住宅，整个建筑设二层地下室，建筑物周边为地下车库，车库与11#地下室相接。11#长44.6m，宽19.1m，建筑面积1.15万m2,建筑物室外地坪至主体檐口的高度为49.900m。工程抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第二组，地震加速度值为0.15g，建筑场地类别为Ⅱ类。
为满足建筑功能要求，地上一、二层应尽量减少剪力墙、框架柱等竖向构件，因此，在层2设置结构转换层（在层高8m处），2层以上为现浇钢筋混凝土剪力墙结构。同时由于住宅部分建筑平面存在深凹口，从而使工程成为建筑平面不规则、竖向刚度变化较大的复杂结构。图1，2分别为转换层和住宅标准层结构布置图。 
 
2        基础选型和技术措施
根据地质报告，本小区场地土类型为中软场地土，该场地为非自重湿陷性黄土场地，湿陷等级为I级（轻微），湿陷性黄土厚度为9m，为消除场地湿陷性应对地基进行处理。地下水位于40米以下，基础设计与施工不考虑地下水影响。
根据规范规定本工程地基基础设计等级为乙级，根据建筑物重要性、层数其湿陷性划分乙类建筑物。根据上部结构及工程地质特点基础形式采用筏板基础，因其层数较多，竖向荷载大，基底压力达到320kPa。若采用第三层黄土状粉土为持力层，地基承载力特征值为150 kPa。由于住宅周围为地下车库，减小了地基承载力修正深度，天然地基经过修正的地基承载力特征值为280 kPa，不能满足要求。因此，需要进行地基处理，消除地基土的湿陷性的同时使之能够提供足够的地基承载力，满足结构安全的要求。
经过分析，采用灰土垫层或灰土桩等方法处理湿陷性黄土，存在工作量大，花费劳动力多，施工现场占地大等缺点。如采用灰土换填的方法，由于高层住宅上部荷载大，需换填2.5米厚才能满足剩余湿陷量不大于规范限值的要求。若较厚的灰土换填施工，现场工作量很大，且灰土垫层需分层压实，受天气影响较大，尤其在雨季施工时，经常因降雨导致工程停工，出现工程延期现象。如采用灰土桩方案，经处理后的地基承载力强度达不到结构设计所要求的承载力特征值。同时由于场区地下水水位低，土层含水率低，灰土桩施工过程中须注水提高含水量，这会增加提升式夯实机施工难度，减慢施工进度，出现工程质量和工期难以控制的现象。
由于本场区湿陷性黄土厚度较薄，我们考虑采用消除全部湿陷性的地基处理方式，即挖除全部湿陷性黄土，增加一层地下室，将地下室层数改为三层，修正后的地基承载力特征值可达到360kPa，能够提供足够的地基承载力。
地下室底板考虑柱、剪力墙的冲切及内力传递，采用1.0m厚平板式筏板基础。由PKPM系列软件JCCAD的桩伐有限元计算出的最大沉降量约39mm,满足规范规定。
3 上部结构分析与设计
3.1结构布置
建筑功能要求地上一、二层为大空间商业，地上二层以上为普通住宅。为满足建筑功能要求，住宅部分采用钢筋混凝土剪力墙结构，转换层为地上二层，采用梁式转换，使整个结构体系成为底部大空间框支-剪力墙结构。
3.2技术措施
1.由于住宅平面局部有较大内凹，L/Bmax=0.42，超出规程【1】限值要求，形成细腰型平面布置。因此，在住宅层凹口处每层增设拉梁，减小凹入尺寸，使之符合规程【1】对平面规则性限制的要求。
2.采用现浇梁板方案，现浇板最小值为100mm，地下一层顶板为上部结构嵌固部位，板厚为180mm，双层双向配筋，地下一层顶板按配筋率大于0.25%和计算结果双控。同时将地下室外墙加厚为300mm，增大地下室刚度，确保上部结构在地下室顶板处嵌固。
3.为较好控制转换层上下层刚度比，将建筑物外围及电梯间、楼梯间剪力墙落地，并加厚为250mm。住宅层内外墙厚度均为200mm。另外，转换层及其以下部分混凝土强度取C40,上部混凝土强度取C35~C30。这样就改善了转换层上下层刚度比，转换层与上一层的侧向刚度比X方向刚度比= 0.88，Y方向刚度比= 0.90，符合规范规定。
4.底部加强区为地上一至四层，高13.80m，剪力墙约束边缘构件为地下一层至地上五层。加强部位以上剪力墙抗震等级为二级，加强部位以下剪力墙抗震等级为二级，框支框架抗震等级为二级。框支柱采用普通混凝土柱，柱截面为1.0mx1.0m。
5.采用梁式转换结构，转换层顶板无大洞口。同时加强框支柱与框支梁抗弯、抗剪、抗扭配筋,提高转换层的抗震性能。
3.3框支转换层结构设计
根据工程特点，选用梁式转换，框支梁最大截面为900x1500，梁下高度2.7米，可满足建筑要求。钢筋混凝土框支柱和钢筋混凝土转换梁截面及配筋依据规程【1，2】的相关规定进行设计，框支柱轴压比小于0.4，有较高延性。框支转换梁处采用分析软件SATWE和PMSAP进行整体计算外，还采用了高精度有限元分析软件FEQ进行补充计算。为保证转换梁有一定安全储备，按整体计算结果控制，并依据有限元补充分析结果对应力集中部位进行加强处理。
3.4整体内力分析计算
结构整体分析时主要采用了SATWE, 并采用PMSAP进行补充计算。整体分析采用刚性楼板假定，并考虑双向地震作用和偶然偏心的扭转耦联影响。计算中按多角度进行了验算。由程序自动计算出最不利方向角，并对应配筋。结构计算时转换构件考虑水平地震及竖向地震影响。主要计算参数为：设计地震分组为第二组，地震加速度值为0.15g，结构阻尼比0.05，安评报告【3】提供的特征周期Tg=0.45s。基本风压按50年一遇w.=0.40kN/m2采用，地面粗糙度为B类。计算阵型数取18个，按模拟施工3加载方式计算。结构内力计算时设定地上一、二、三层顶板为弹性膜，地上一层、二层指定为薄弱层。
SATWE计算分析表明，在考虑偶然偏心和双向地震作用下，各楼层的竖向构件的最大水平位移和层间位移均未超过本楼层平均值的1.2倍，楼层最大位移33.4mm，楼层层间最大位移与层高之比的最大值为1/1080。x方向楼层最大剪力6077kN ，y方向楼层最大剪力5827kN，楼层最小剪重比为最小值3.20%，有效质量系数98.5%，第一周期1.340 s(y)，第二周期1.260 s(x)，第三周期1.060 s(T)，规定水平力下框支框架地震倾覆力矩百分比小于50，其余各项参数均符合规范规定。
3.5弹性时程分析
为了校核多遇地震下上述振型分解反应谱法的计算结果，采用SATWE软件进行了弹性时程分析补充计算。采用两条天然波与一条人工波，取各地震波的反应平均值作为弹性时程分析法的结果。根据安评报告【3】，最大加速度取53cm/s2，结构阻尼比0.05。计算结果如下楼层最大位移31.2mm，楼层层间最大位移与层高之比的最大值为1/1225。x方向楼层最大剪力5739kN ，y方向楼层最大剪力5085kN。总体而言，弹性时程分析计算结果与SATWE、PMSAP计算结果接近。
3). 总结与体会
经过鲁中图纸审查中心专家审查，肯定了工程所采取的结构体系、抗震设计参数、抗震等级及分析计算结果，同时要求加强转换梁构造，改进框支柱箍筋形式，方便施工。
对于平面和竖向不规则的复杂高层结构的设计，除满足规范外，还应尽量提高结构延性，避免出现高位转换，做到安全可靠，经济合理。
参考文献
【1】高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2010)，中国建筑工业出版社，2011
【2】混凝土结构设计规范(GB50010-2010)，中国建筑工业出版社，2011
【3】山东省地震局提供安评报告（鲁）甲019-2012-001
【4】建筑地基基础设计规范（GB50007-2002），中国建筑工业出版社，2002
【5】湿陷性黄土地区建筑规范（GB50025-2004），中国建筑工业出版社，2004