部分框支剪力墙结构设计之浅谈

部分框支剪力墙结构设计之浅谈

唐志恒

广东中山建筑设计院股份有限公司广东中山528405

摘要：随着高层建筑的迅速发展，一座建筑中需要实现功能的多样化，如上部布置住宅、旅店，下部作商店、餐馆和文化娱乐设施。上部需要小开间、多墙体，下部需要大空间，需要墙体少、柱网大，以满足不同建筑功能要求。由此形成上、下竖向构件不连续或结构形式不相同，上、下部内力、变形差异大，必须在结构构建改变的楼层设置转换层结构。

关键词：转换层；部分框支剪力墙结构；框支柱；框支梁

一、常见结构转换形式

1.托墙转换和托柱转换：

转换层以上为剪力墙时叫托墙转换，又叫框支剪力墙结构，托墙梁为框支梁；当转换层以上为柱，叫托柱转换，托柱梁为转换梁。

2.整体转换与局部转换

根据建筑的功能要求，结构可能是一个楼层有多处转换，形成转换层，或结构中有多处转换，致使结构多处不规则，这就是结构的整体转换；也有可能是一个楼层仅有小范围转换，仅需局部设置少量转换构件，这就是结构的局部转换。这两种转换在结构受力上虽然都存在相似的缺点，但在程度上有很大不同。

整体转换和局部转换的判别，主要看托墙（柱）数量及转换层上、下刚度比变化大小，也有的地方规范规定当上部托墙（柱）面积小于上部墙（柱）总面积的8~10%时为局部转换。

二、实腹梁框支剪力墙结构受力特点

单片实腹梁框支剪力墙在外荷载作用下，有限元分析表明：

（1）竖向荷载作用下的受力特点：

A．框支剪力墙在竖向荷载作用下，离框支梁较远（即距框支梁L0以上部分，L0为支承框架的净跨）的上部墙体，竖向应力σy分布不受底部框架的影响。当墙上作用为均布荷载时，σy也为均匀分布；水平应力σx则接近于零；剪应力也接近于零。而靠近框支梁的上部墙体受力有拱效应，σy沿拱作用线向支座处集中，端支座处竖向应力最大；同时有水平向应力σx（推力），双跨框支剪力墙的中间支座墙体存在一个三角形的拉应力区，拉应力在中柱正上方、框支梁的上边缘处最大；墙体内的剪应力τ在与框支梁顶面的交界处达到最大值。

B.由于框支梁与其上部墙体共同工作，框支梁就像是拱的拉杆，在竖向荷载下除了有弯矩、剪力外，还有轴向拉力。此轴向拉力沿梁全长不均匀，跨中处大，支座处减小。这是框支梁不同于一般框架梁的最大之处，一般框架梁在竖向荷载作用下为受弯构件，而框支梁是偏心受拉构件。

C.框支柱除受有弯矩、剪力外，还承受较大的轴向压力。特别是大于一跨的框支剪力墙，由于大拱套小拱的效应，框支柱的轴向力并不像一般框架柱那样近似按所属面积分配，而是边柱轴力增大，中柱轴力减小，例如两跨的框支剪力墙，竖向荷载下框支边柱的轴力之和约占总轴力的3/5，而中柱只约占总轴力的2/5。

（2）水平荷载作用下的受力特点

水平荷载作用下，离框支梁较远（即距框支梁L0以上部分，L0为支承框架的净跨）的上部墙体，竖向应力σy为线性分布；而靠近框支梁的上部墙体σy逐渐向支座处集中，但仍保持反对称分布的特点。

水平荷载作用下框支梁同样有较大的轴向拉力和剪力。

另外，研究表明，底部转换层位置越高，转换层上、下刚度突变越大，转换层上、下内力传递途径的突变越加剧；此外，转换层位置越高，框支剪力墙和落地剪力墙之间的剪力分配会有较大变化，落地剪力墙或筒体易出现受弯裂缝，从而使框支柱的内力增大，转换层上部附近的墙体容易破坏，转换层附近楼层的剪力会发生突变，楼板将承受较大的剪力。总之，转换层位置越高对抗震越不利。

转换层楼板要完成上、下层剪力的重新分配，自身在平面内受力很大，变形显著，转换层楼板除了有效传递水平力之外，尚要协助框支梁受拉，属拉、弯、剪复杂受力构件。

三、部分框支剪力墙结构的结构布置要点

（Ⅰ）剪力墙结构和框—剪结构布置的一般要求：

由于部分框支剪力墙上部为剪力墙结构，下部为框—剪结构，故在结构布置上，转换层以上部分首先应满足剪力墙结构布置的要求，转换层以下结构布置首先应满足框—剪结构布置的一般要求：

（一）上部剪力墙布置一般要求：

1.平面宜简单、规则，双向侧刚宜相近，且不宜布置一字墙。

2.立面应连续，刚度不突变。

3.门窗洞口宜上下对齐、成列布置，不宜错洞，尤不宜有叠合错洞墙，洞口间净水平距应≥2m。

4.墙长不宜过长（≤8m）。过长时应设结构洞，洞顶用跨高比大于6的连梁连接，各段墙高与墙长比宜≥3。

5.楼面梁不宜支承于连梁上。

6.剪力墙平面外刚接梁时宜设翼墙、扶壁柱或暗柱，应保证梁纵筋水平满足≥0.4la（E）。

7.尽量避免出现短肢墙，不宜采用“较多短肢剪力墙结构”。

（二）转换层以下框—剪结构布置一般要求：

1.应双向布置抗侧力体系，两向侧刚宜相近，节点为刚接。

2.框架和剪力墙可分开布置，也可框架内嵌剪力墙（带边框剪力墙）。

3.梁、墙、柱中线宜重合，梁、柱偏心距大于柱宽的四分之一时应水平加腋。

4.剪力墙（主要为落地剪力墙）应均匀分布于楼、电梯间、周边附近、平面形状变化处，恒载较大处、凹凸较大的凸出部，且宜成L、T、型或筒体。

5.剪力墙尽量少开洞，开洞时洞口上下宜对齐。

6.填充墙宜为轻质墙。

（Ⅱ）部分框支剪力墙结构布置的特殊要求：

部分框支剪力墙结构由于上部剪力墙与下部框—剪结构为一个整体，上、下部存在转换关系，竖向刚度上、下突变，在转换部位内力、变形复杂，结构布置有其特殊要求：

（一）转换层上部构件（剪力墙、柱）宜直接落在下部主要受力构件上：

1.落地墙的布置：

（1）.要求上部剪力墙尽可能多地落地（不少于上部剪力墙面积的30%），成为下部框—剪结构的剪力墙。

（2）.落地墙尽量利用楼、电梯间，形成筒体，其他落地墙尽量周边化（增强抗扭刚度）。当底部有裙房时，必要时也可在周边、角部布置少量辅助性剪力墙。

（3）.落地墙当不为筒体时，均应设翼墙或端柱。

（4）.落地墙在转换层以下均应加厚（一般墙厚为400~600mm）。

（5）.落地墙宜尽量少开洞或不开洞，开洞时洞口宜设于墙中部。

（6）落地墙间距宜小于下表值：

2.框支柱及框支梁的布置：

（1）.框支柱与落地墙间距宜小于下表值：

（2）.上部剪力墙应尽量落于框支框架梁上，且上部墙（柱）与框支梁截面中线宜重合，当有偏心布置时，需设置横向梁减小框支梁扭转影响，且计算仍应计入此偏心影响，设计应对框支梁抗扭、相连梁、板抗弯配筋予以加强。

（3）.当次梁转换时，应：

①调整上部剪力墙布置和下部框架布置，尽量使上部主要剪力墙由框架梁转换，或次梁处设框架柱，或取消上部该段剪力墙。

②当上部剪力墙距框架梁较近时，加宽框支梁及框支柱宽度。

③上部剪力墙有短翼缘时，可加宽框支梁宽度，避免次梁抬翼缘墙。

④不得多级次梁转换。次梁抬剪力墙时应进行有限元应力分析，按应力校核配筋，并加强构造措施。

（4）.不宜转换边榀剪力墙或角柱。

（5）.框支梁上方剪力墙，不宜设边门洞，也不应在框支柱上方设门洞。

（6）.框支柱截面尺寸由轴压比控制。框支柱数量由底层框支柱承担的倾覆力矩比不大于50%控制。框支柱、落地墙数量由转换层上、下刚度比控制。

（二）尽量加大底部刚度和减小框支梁以上的上部刚度：

1.尽量争取上部剪力墙多落地，必要时也可在别的部位布置补偿剪力墙。

2.加大落地墙（含筒体）墙厚。落地墙少开洞或不开洞。

3.提高框支部分砼强度等级。

4.转换层在竖向的位置应满足前述规范要求。尽量不采用高位转换。有裙房时，转换层位置不宜设于裙房屋面以上主楼内，宜设在裙房屋面层。

5.将设备转换（主要为下水管道转换，转换高度宜为500mm）置于转换层上层。在满足转换层布置和使用要求的前提下，尽量减小转换层层高，增大转换层上层层高，利用其作设备转换，并铺炉渣回填作建筑地面。

（三）其他要求：

1.框支柱周边楼板不宜错层。

2.转换层板尽量少开洞或开小洞。开洞时洞口周边应设边梁或筒体。

3.上部剪力墙、框支梁、框支柱中线宜重合。当框支梁与框支柱偏心距大于框支柱相应边长四分之一时，框支梁应水平加腋，并仍要计入其偏心影响。

结束语

限于篇幅和水平所限，综上所述，部分框支剪力墙结构的结构布置不同于一般剪力墙或框—剪结构，更要求结构设计人员在建筑方案及初设阶段要介入，结合使用功能要求，和建筑及其他各专业一起协调，使其既满足各专业使用要求，又使其结构布置合理，不使结构复杂化，以达到既安全又经济、适用的目的，为施工图设计乃至建筑物打下良好的基础。

参考文献：

[1]GB50011-2010《建筑抗震设计规范》.

[2]GB50010-2010《混凝土结构设计规范》

[3]JGJ3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》