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摘要:本文结合工程实践,对影响高层住宅框支剪力墙结构设计中的主要因素及计算与分析进行了阐述.从而为结构设计提供计算方法及设计参考。
关键词: 高层住宅;框支剪结构;设计; 计算方法
引言
近年来,由于建筑设计和使用功能等的要求,导致很多在抗震设防区的住宅建筑在其中部附近开设了过洞或过人洞。这使得一些抗震墙无法落地,而仅靠落地剪力墙,结构总体刚度不够,必须要设置转换构件,通过转换构件将上部构件的内力传递到基础和地基。也常有一部分住宅建筑由于车位、底部景观架空通透、上部房间布局等因素, 造成了少量抗震墙无法落地。它们有一个共同的特点,就是转换层上的不落地抗震墙占该层总抗震墙的比例很小, 一般仅在10 %左右。由于转换层上下侧移刚度基本相同,这使得它们的一些特性更加接近抗震墙结构, 我们把这种介于抗震规范所讲的抗震墙结构和部分框支抗震墙结构之间的结构形式称为局部框支抗震墙结构。这里所讲的局部框支抗震墙结构除了不落地抗震墙很少以外,还具有以下特点: 框支柱的数量一般为6～8 个,最多不超过10 个。文章结合实际工程,具体的探讨此类建筑结构的抗震设计。
1 工程概况
某工程项目规划总用地为6. 983m2 , 规划总建筑面积15. 3 万平方米(地上) 。本工程包含1～4 # 高层住宅、5 # 商业办公楼、6 # 办公楼及公共的地下室,总建筑面积为144 726m2其中,2 # 、3 # 十九层高层住宅工程为框支剪力墙结构,一层平面见图1 所示。
图1 2 # 、3 # 楼底部结构平面布置图
主体结构层高62. 3m,地下室1 层,高4. 7m;地上1 层为居民活动空间, 高5. 4m; 2 层～13 层为住宅, 层高2. 9m, 以上至屋顶层高均为3. 0m。
该地区的基本风压0.3N/ mm2 , 抗震设防烈度6 度,场地土的特征周期0. 45s , 设计基本地震加速度0. 05g , 框架抗震等级为二级,剪力墙底部加强部位抗震等级为三级, 其余部位为四级。结构的阻尼比为0.05 ,水平地震影响系数最大值为0.04 , 罕遇地震影响系数最大值为0.28 , 地面粗糙度为C类。计算中考虑双向水平地震作用、扭转耦联影响及重力二阶效应,并对结构的稳定性进行计算。
2 结构设计中的计算和分析
2. 1 转换体系的选取与计算
框支转换层楼板在地震中受力变形较大, 其在整体电算中的模型选择很关键。由于工程转换梁上部层数多,地震时楼板将传递相当大的地震力, 其在平面内的变形是不可忽略的。因此采用弹性板或弹性膜的计算模型较为适宜。由于弹性板的平面外刚度在整体计算中已被计入, 相当于考虑了板对梁的卸荷作用,会使梁的设计偏于不安全。在进行整体结构分析时,将转换层楼板用弹性膜单元模拟。
2. 2 嵌固端与转换层楼板板厚的确定
工程以±0.000 板作为嵌固端, 既保证上部结构的地震剪力通过地下室顶板传递到全部地下室结构, 同时能够保证上部结构在地震作用下的变形是以地下室为参照原点。《抗规》第6.1.14 条规定: 当地下室顶板作为上部嵌固端部位时, 结构地上一层的侧向钢度,不宜大于相关范围地下一层侧向钢度的0.5倍。故地下室顶板厚度取200mm,同时,为了有效地将水平地震力传递给剪力墙,在应力集中的楼层,将楼板厚度加大, 转换层楼板取180mm, 与其相邻的层也适当加厚至150mm。
考虑抗震需要, 施工图阶段时更有意提高转换层配筋率,使单层配筋率达到0.35 % ,以进一步提高转换层楼板和框支大梁共同作用的能力。考虑到梁宽大于上部剪力墙的两倍, 宽度较宽, 对边转换梁, 板面钢筋不是简单地要求伸入梁内满足锚固要求即可,而是要求必须贯穿梁顶截面,以确保梁内扭矩在板上的有效传递。
2. 3 框支柱与剪力墙底部加强部位墙厚的设计
框支柱基本布置于上部剪力墙对齐的下方或就近区域, 这样不仅能使竖向荷载的传力途径直接、明确, 减少转换板的内力, 同时, 上下抗侧力结构对齐, 对于抵抗水平地震荷载作用, 改善转换板的复杂受力情况也是大有益处的(详见图1) 。
框支柱作为框支剪力墙结构体系中重要的构件, 它的安全度直接决定了整栋建筑的抗震潜力, 因而框支柱的延性和承载力成为设计的关键。框支柱应在计算的基础上,通过概念设计和抗震措施(构造措施) 进行设计。调整框支柱总剪力不小于0.30 ,框支柱的抗震等级定位一级,为了增加其延性, 轴压比不超过0.4 , 其最小配箍特征值比一级增加0.02 采用,框支层剪力墙轴压比控制在0.6 以内,以保证剪力墙有足够的刚度。
抗震设计时, 剪力墙的底部加强部位包括底部塑性铰范围及其上部的一定范围, 其目的是在此范围内采取增加构造边缘构件箍筋和墙体横向钢筋等必要的抗震加强措施,避免脆性的剪切破坏,改善整个结构的抗震性能。《高层建筑混凝土结构技术规程》J GJ3 - 2010(以下简称《高规》) 第7. 1. 4 条规定:剪力墙底部加强部位的高度应从地下室顶板算起宜取至转换层以上两层且不宜小于房屋高度的1/10。为了保证底部加强部位处剪力墙的平面外刚度和稳定性,《建筑抗震设计规范》GB50011 - 2010(以下简称《抗规》) 及《高规》分别规定了剪力墙底部加强部位墙厚的取值。其中,考虑到高层建筑结构的重要性,《高规》对墙厚的取值更加严格。针对本工程结构的特点,设计中有以下两点特别之处:
(1) 一般情况下, 高层建筑结构底部加强部位的剪力墙厚度应按照《抗规》6.5.1条规定取值。但对于本工程而言,由于底部层高较大,一般剪力墙墙厚bw取350 ,但对于电梯井处剪力墙布置较多,相对的轴力较小,其截面按照上述方法取值则显得的不是很经济合理。因此,针对本工程的具体设计,剪力墙截面厚度bw适当的减少到300 ,同时严格按照《高规》附录D 以下公式(1) 计算墙体的稳定。
(1)
(2) 在保证上部住宅剪力墙强度及层间位移满足规范的前提要求下, 尽量减少上部剪力墙数量, 减薄厚度, 转换层以下厚度加大,以减少结构上部刚度,增大下部刚度。同时, 由于轉换层上下刚度的突变对上部相邻几层剪力墙造成的影响, 故而除了对转换层上相邻数层剪力墙的水平及竖向分布筋和暗柱钢筋予以加强外, 还在这些楼层中跨高比小于2 的剪力墙连梁内设置交叉钢筋以增强其耗能能力。
2. 4 转换层上、下结构侧向刚度比的确定
工程实践中, 框支剪力墙结构体系是对结构本身来说是很不利的,为了加大底部大空间楼层的抗侧刚度,使上下刚度接近,《高规》规定: 需要抗震设防时, 转换层上下刚度比不应于小于0.5，同时不应大于1。为了满足此要求,对底部的落地芯筒及少量的落地剪力墙均予以加厚, 落地芯筒周边墙体加厚至300mm(上部为250mm) , 少量的落地剪力墙加厚至400mm(上部为250mm) , 同时转换层以下的混凝土强度等级定位C45(上部为C35) , 最终大部分单元刚度比均控制在1. 4 左右,只有少数单元较大,但也控制在1. 8 以内。
由于高层结构中转换层的出现, 沿建筑物高度方向刚度的均匀性会受到很大的破坏, 力的传递途径会有很大的改变。如何计算转换层上、下结构侧向刚度比是带转换层高层建筑结构设计时必须解决的主要问题。《高规》附录E分别规定了底部大空间层数不同,转换层上、下结构侧向刚度比的计算方法。其中转换层上、下结构的等效侧向刚度比的计算综合考虑了竖向抗侧力构件的抗剪刚度和抗弯刚度,因此更能反映带转换层的高层结构沿高度方向刚度变化的实际情况。转换层上、下结构的等效侧向刚度比按公式(2)计算,为了便于计算顶部位移,可以将顶部单位水平力适当放大。
(2)
结构设计时可以应用“高层建筑结构空间有限元分析与设计软件”(SATWE) 计算转换层上、下结构的等效侧向刚度比,具体计算步骤如下:
(1) 采用PMCAD 分别按(图2 )建立结构计算模型1、2 ;
(a) 计算模型1 - 转换层及其下部结构(b) 计算模型2 - 转换层上部结构
图2 转换层上、下结构的等效侧向刚度比的计算模型
(2) 采用SATWE 前处理程序形成风荷载数据文件WIND. SAT;
(3) 分别修改计算模型1、2 的风荷载数据文件,将顶层刚性楼板的X、Y向风荷载的X、Y轴均设置为500kN, Z轴扭转分量设置为0 , 其余各层X、Y向风荷载的X、Y轴分量以及Z轴扭转分量均设置为0 ;
(4) 运行SATWE中结构分析及构件内力计算程序, 求出计算模型1、2 的顶部位移;
(5) 应用公式(2) 即可求解出转换层上、下结构的等效侧向刚度比。
通过上述方法计算得出的转换层上、下结构的等效侧向刚度比宜接近1 , 非抗震设计时不应小于0.5 , 抗震设计时不应小于0.8。
γex =Δ2 H1/Δ1/ H2 =0.893
γey =Δ2 H1/Δ1/ H2 =0.847
2. 5 局部抗震设计
局部框支剪力墙结构的局部加强范围, 对本工程来说,取框支部分所临近两个2～3 个开间所包围的区域(见图1中方框内的部分) 。在进行框支柱、梁内力调整时可按此调整加强部位有关剪力墙、框支柱和梁的内力。局部框支加强范围以外,可按剪力墙结构设计。两者交接部分应加强连接构造, 如板边设暗梁、梁板配筋加强等, 以保证水平剪力传递。
建筑专业为了立面处理的需要, 希望在建筑平面的角部开窗(见图1 中圆形标注内的部分) , 墙体角部在地震作用下, 是较敏感的部位, 特别当结构平面不规则时, 由于平面的扭转, 引起内力重分布, 将使震害加剧, 使得此处的连梁分配更多的地震力,容易产生连梁的超筋问题。因此,需要对此处的连梁采取构造加强措施, 本工程主要采用了以下几点:
(1) 角部开窗的墙体为无翼缘墙体,《抗规》6. 4. 1 条规定墙体厚度,当无端柱或翼墙时不应小于层高的1/ 12 ,本住宅层高2. 9m～3. 0m,故角部房間墙段厚度取250mm;
(2) 由于角部墙体无翼缘, 延性较差, 应在墙体端部设置暗柱,并适当的加强配筋。
(3) 为了增加墙体平面外的稳定性, 可在每层楼板角部处附加钢筋板带配10Φ12mm钢筋, 两端各锚入暗柱内, 长度≥35d。楼层加强, 双层双向且均按受拉钢筋锚固于墙内和梁内,如图3 所示。
图3 角部平面图
3 结语
局部框支剪力墙结构虽然框支部分很少, 但对框支部分还应该符合部分框支剪力墙结构的, 同时又不完全符合。因此,为满足使用功能和结构抗震设计的要求,同时使剪力墙的布置和用量较为合理, 结构设计时主要应解决以下几个问题:
①平面设计时合理布置剪力墙的位置, 使结构的刚度中心与质量中心相接近。
②对于框支柱上的剪力墙尽可能的减少,减薄,如果实在无法避免时, 框支柱的计算配筋要充分考虑到平面外的荷载作用及内力的相互影响。
③对工程中出现转换层一类的局部特殊结构形式时,应对结构整体计算后对局部特殊结构进行专门的有效受力分析,如对转换层上下层刚度比进行单独的计算。
④增强结构的抗扭能力, 在建筑物的四个角部不利于抗震的开设的转角窗,应加强构造措施。
⑤对于受力复杂的结构, 构造设计是保证结构安全的重要措施。
关键词: 高层住宅;框支剪结构;设计; 计算方法
引言
近年来,由于建筑设计和使用功能等的要求,导致很多在抗震设防区的住宅建筑在其中部附近开设了过洞或过人洞。这使得一些抗震墙无法落地,而仅靠落地剪力墙,结构总体刚度不够,必须要设置转换构件,通过转换构件将上部构件的内力传递到基础和地基。也常有一部分住宅建筑由于车位、底部景观架空通透、上部房间布局等因素, 造成了少量抗震墙无法落地。它们有一个共同的特点,就是转换层上的不落地抗震墙占该层总抗震墙的比例很小, 一般仅在10 %左右。由于转换层上下侧移刚度基本相同,这使得它们的一些特性更加接近抗震墙结构, 我们把这种介于抗震规范所讲的抗震墙结构和部分框支抗震墙结构之间的结构形式称为局部框支抗震墙结构。这里所讲的局部框支抗震墙结构除了不落地抗震墙很少以外,还具有以下特点: 框支柱的数量一般为6～8 个,最多不超过10 个。文章结合实际工程,具体的探讨此类建筑结构的抗震设计。
1 工程概况
某工程项目规划总用地为6. 983m2 , 规划总建筑面积15. 3 万平方米(地上) 。本工程包含1～4 # 高层住宅、5 # 商业办公楼、6 # 办公楼及公共的地下室,总建筑面积为144 726m2其中,2 # 、3 # 十九层高层住宅工程为框支剪力墙结构,一层平面见图1 所示。
图1 2 # 、3 # 楼底部结构平面布置图
主体结构层高62. 3m,地下室1 层,高4. 7m;地上1 层为居民活动空间, 高5. 4m; 2 层～13 层为住宅, 层高2. 9m, 以上至屋顶层高均为3. 0m。
该地区的基本风压0.3N/ mm2 , 抗震设防烈度6 度,场地土的特征周期0. 45s , 设计基本地震加速度0. 05g , 框架抗震等级为二级,剪力墙底部加强部位抗震等级为三级, 其余部位为四级。结构的阻尼比为0.05 ,水平地震影响系数最大值为0.04 , 罕遇地震影响系数最大值为0.28 , 地面粗糙度为C类。计算中考虑双向水平地震作用、扭转耦联影响及重力二阶效应,并对结构的稳定性进行计算。
2 结构设计中的计算和分析
2. 1 转换体系的选取与计算
框支转换层楼板在地震中受力变形较大, 其在整体电算中的模型选择很关键。由于工程转换梁上部层数多,地震时楼板将传递相当大的地震力, 其在平面内的变形是不可忽略的。因此采用弹性板或弹性膜的计算模型较为适宜。由于弹性板的平面外刚度在整体计算中已被计入, 相当于考虑了板对梁的卸荷作用,会使梁的设计偏于不安全。在进行整体结构分析时,将转换层楼板用弹性膜单元模拟。
2. 2 嵌固端与转换层楼板板厚的确定
工程以±0.000 板作为嵌固端, 既保证上部结构的地震剪力通过地下室顶板传递到全部地下室结构, 同时能够保证上部结构在地震作用下的变形是以地下室为参照原点。《抗规》第6.1.14 条规定: 当地下室顶板作为上部嵌固端部位时, 结构地上一层的侧向钢度,不宜大于相关范围地下一层侧向钢度的0.5倍。故地下室顶板厚度取200mm,同时,为了有效地将水平地震力传递给剪力墙,在应力集中的楼层,将楼板厚度加大, 转换层楼板取180mm, 与其相邻的层也适当加厚至150mm。
考虑抗震需要, 施工图阶段时更有意提高转换层配筋率,使单层配筋率达到0.35 % ,以进一步提高转换层楼板和框支大梁共同作用的能力。考虑到梁宽大于上部剪力墙的两倍, 宽度较宽, 对边转换梁, 板面钢筋不是简单地要求伸入梁内满足锚固要求即可,而是要求必须贯穿梁顶截面,以确保梁内扭矩在板上的有效传递。
2. 3 框支柱与剪力墙底部加强部位墙厚的设计
框支柱基本布置于上部剪力墙对齐的下方或就近区域, 这样不仅能使竖向荷载的传力途径直接、明确, 减少转换板的内力, 同时, 上下抗侧力结构对齐, 对于抵抗水平地震荷载作用, 改善转换板的复杂受力情况也是大有益处的(详见图1) 。
框支柱作为框支剪力墙结构体系中重要的构件, 它的安全度直接决定了整栋建筑的抗震潜力, 因而框支柱的延性和承载力成为设计的关键。框支柱应在计算的基础上,通过概念设计和抗震措施(构造措施) 进行设计。调整框支柱总剪力不小于0.30 ,框支柱的抗震等级定位一级,为了增加其延性, 轴压比不超过0.4 , 其最小配箍特征值比一级增加0.02 采用,框支层剪力墙轴压比控制在0.6 以内,以保证剪力墙有足够的刚度。
抗震设计时, 剪力墙的底部加强部位包括底部塑性铰范围及其上部的一定范围, 其目的是在此范围内采取增加构造边缘构件箍筋和墙体横向钢筋等必要的抗震加强措施,避免脆性的剪切破坏,改善整个结构的抗震性能。《高层建筑混凝土结构技术规程》J GJ3 - 2010(以下简称《高规》) 第7. 1. 4 条规定:剪力墙底部加强部位的高度应从地下室顶板算起宜取至转换层以上两层且不宜小于房屋高度的1/10。为了保证底部加强部位处剪力墙的平面外刚度和稳定性,《建筑抗震设计规范》GB50011 - 2010(以下简称《抗规》) 及《高规》分别规定了剪力墙底部加强部位墙厚的取值。其中,考虑到高层建筑结构的重要性,《高规》对墙厚的取值更加严格。针对本工程结构的特点,设计中有以下两点特别之处:
(1) 一般情况下, 高层建筑结构底部加强部位的剪力墙厚度应按照《抗规》6.5.1条规定取值。但对于本工程而言,由于底部层高较大,一般剪力墙墙厚bw取350 ,但对于电梯井处剪力墙布置较多,相对的轴力较小,其截面按照上述方法取值则显得的不是很经济合理。因此,针对本工程的具体设计,剪力墙截面厚度bw适当的减少到300 ,同时严格按照《高规》附录D 以下公式(1) 计算墙体的稳定。
(1)
(2) 在保证上部住宅剪力墙强度及层间位移满足规范的前提要求下, 尽量减少上部剪力墙数量, 减薄厚度, 转换层以下厚度加大,以减少结构上部刚度,增大下部刚度。同时, 由于轉换层上下刚度的突变对上部相邻几层剪力墙造成的影响, 故而除了对转换层上相邻数层剪力墙的水平及竖向分布筋和暗柱钢筋予以加强外, 还在这些楼层中跨高比小于2 的剪力墙连梁内设置交叉钢筋以增强其耗能能力。
2. 4 转换层上、下结构侧向刚度比的确定
工程实践中, 框支剪力墙结构体系是对结构本身来说是很不利的,为了加大底部大空间楼层的抗侧刚度,使上下刚度接近,《高规》规定: 需要抗震设防时, 转换层上下刚度比不应于小于0.5，同时不应大于1。为了满足此要求,对底部的落地芯筒及少量的落地剪力墙均予以加厚, 落地芯筒周边墙体加厚至300mm(上部为250mm) , 少量的落地剪力墙加厚至400mm(上部为250mm) , 同时转换层以下的混凝土强度等级定位C45(上部为C35) , 最终大部分单元刚度比均控制在1. 4 左右,只有少数单元较大,但也控制在1. 8 以内。
由于高层结构中转换层的出现, 沿建筑物高度方向刚度的均匀性会受到很大的破坏, 力的传递途径会有很大的改变。如何计算转换层上、下结构侧向刚度比是带转换层高层建筑结构设计时必须解决的主要问题。《高规》附录E分别规定了底部大空间层数不同,转换层上、下结构侧向刚度比的计算方法。其中转换层上、下结构的等效侧向刚度比的计算综合考虑了竖向抗侧力构件的抗剪刚度和抗弯刚度,因此更能反映带转换层的高层结构沿高度方向刚度变化的实际情况。转换层上、下结构的等效侧向刚度比按公式(2)计算,为了便于计算顶部位移,可以将顶部单位水平力适当放大。
(2)
结构设计时可以应用“高层建筑结构空间有限元分析与设计软件”(SATWE) 计算转换层上、下结构的等效侧向刚度比,具体计算步骤如下:
(1) 采用PMCAD 分别按(图2 )建立结构计算模型1、2 ;
(a) 计算模型1 - 转换层及其下部结构(b) 计算模型2 - 转换层上部结构
图2 转换层上、下结构的等效侧向刚度比的计算模型
(2) 采用SATWE 前处理程序形成风荷载数据文件WIND. SAT;
(3) 分别修改计算模型1、2 的风荷载数据文件,将顶层刚性楼板的X、Y向风荷载的X、Y轴均设置为500kN, Z轴扭转分量设置为0 , 其余各层X、Y向风荷载的X、Y轴分量以及Z轴扭转分量均设置为0 ;
(4) 运行SATWE中结构分析及构件内力计算程序, 求出计算模型1、2 的顶部位移;
(5) 应用公式(2) 即可求解出转换层上、下结构的等效侧向刚度比。
通过上述方法计算得出的转换层上、下结构的等效侧向刚度比宜接近1 , 非抗震设计时不应小于0.5 , 抗震设计时不应小于0.8。
γex =Δ2 H1/Δ1/ H2 =0.893
γey =Δ2 H1/Δ1/ H2 =0.847
2. 5 局部抗震设计
局部框支剪力墙结构的局部加强范围, 对本工程来说,取框支部分所临近两个2～3 个开间所包围的区域(见图1中方框内的部分) 。在进行框支柱、梁内力调整时可按此调整加强部位有关剪力墙、框支柱和梁的内力。局部框支加强范围以外,可按剪力墙结构设计。两者交接部分应加强连接构造, 如板边设暗梁、梁板配筋加强等, 以保证水平剪力传递。
建筑专业为了立面处理的需要, 希望在建筑平面的角部开窗(见图1 中圆形标注内的部分) , 墙体角部在地震作用下, 是较敏感的部位, 特别当结构平面不规则时, 由于平面的扭转, 引起内力重分布, 将使震害加剧, 使得此处的连梁分配更多的地震力,容易产生连梁的超筋问题。因此,需要对此处的连梁采取构造加强措施, 本工程主要采用了以下几点:
(1) 角部开窗的墙体为无翼缘墙体,《抗规》6. 4. 1 条规定墙体厚度,当无端柱或翼墙时不应小于层高的1/ 12 ,本住宅层高2. 9m～3. 0m,故角部房間墙段厚度取250mm;
(2) 由于角部墙体无翼缘, 延性较差, 应在墙体端部设置暗柱,并适当的加强配筋。
(3) 为了增加墙体平面外的稳定性, 可在每层楼板角部处附加钢筋板带配10Φ12mm钢筋, 两端各锚入暗柱内, 长度≥35d。楼层加强, 双层双向且均按受拉钢筋锚固于墙内和梁内,如图3 所示。
图3 角部平面图
3 结语
局部框支剪力墙结构虽然框支部分很少, 但对框支部分还应该符合部分框支剪力墙结构的, 同时又不完全符合。因此,为满足使用功能和结构抗震设计的要求,同时使剪力墙的布置和用量较为合理, 结构设计时主要应解决以下几个问题:
①平面设计时合理布置剪力墙的位置, 使结构的刚度中心与质量中心相接近。
②对于框支柱上的剪力墙尽可能的减少,减薄,如果实在无法避免时, 框支柱的计算配筋要充分考虑到平面外的荷载作用及内力的相互影响。
③对工程中出现转换层一类的局部特殊结构形式时,应对结构整体计算后对局部特殊结构进行专门的有效受力分析,如对转换层上下层刚度比进行单独的计算。
④增强结构的抗扭能力, 在建筑物的四个角部不利于抗震的开设的转角窗,应加强构造措施。
⑤对于受力复杂的结构, 构造设计是保证结构安全的重要措施。