高层建筑中上层剪力墙与下层柱的结构转换

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：图9-13b中可见上层墙面内均匀分布的竖向应力向下部柱子集中，在支承柱顶部的剪力墙局部面积上竖向应力很大，柱间剪力墙的竖向应力愈接近中部愈小，其传力流与拱类似；由于它像拱一样传力，必须有拉杆平衡它向外的推力，因此转换部位的水平拉应力较大，图9-13c表示了拉应力分布，愈到下边缘拉应力愈大，托梁主要承受拉力，与拱拉杆作用相似；图9-13d可见其剪应力较大的部位是在靠近柱的两侧。

在多功能的公共建筑中，以及要求下部作商场的公寓住宅建筑中，常常采用上部为剪力墙、下部为柱支承的结构，以增大底部使用空间的灵活性，这种结构要求荷载从上部剪力墙向下部柱子转换，主要应用在剪力墙及框架—剪力墙结构中。

剪力墙直接支承在柱子上形成框支剪力墙，它的转换层形式很简单，如图为杆件不能得到墙内真实的应力，要求对该转换部位进行局部的平面有限元补充分析，并要求进行特殊设计。9-13a所示，框支柱上的剪力墙就是转换部位，但是这类转换部位墙的应力分布十分复杂，通常取出一层剪力墙高度，称为转换层（实际的内力传递范围并不一定局限在这一层），在转换层全部或部分高度将剪力墙加厚，称为“托梁”，托梁不是一般概念上的梁，图9-13b、c、d给出了一个典型、规则的框支剪力墙转换层（包括托梁）在竖向荷载下的竖向、水平应力以及剪应力的分布图。图9-13b中可见上层墙面内均匀分布的竖向应力向下部柱子集中，在支承柱顶部的剪力墙局部面积上竖向应力很大，柱间剪力墙的竖向应力愈接近中部愈小，其传力流与拱类似；由于它像拱一样传力，必须有拉杆平衡它向外的推力，因此转换部位的水平拉应力较大，图9-13c表示了拉应力分布，愈到下边缘拉应力愈大，托梁主要承受拉力，与拱拉杆作用相似；图9-13d可见其剪应力较大的部位是在靠近柱的两侧。框支剪力墙转换部位是应力分布复杂的部位，结构分析时将转换层简化

图9-13 框支剪力墙转换层应力分布

a）转换构件 b）竖向应力σ_y分布 c）水平应力σ_x分布 d）剪应力τ分布

框支剪力墙是最典型的具有软弱层的结构，上部剪力墙的抗侧刚度很大，而底部柱子抗侧刚度很小，上、下刚度相差悬殊，在水平荷载作用下底部框架的层间变形将很大，通常都在柱两端出现塑性铰（地震作用下变形见图5-5a），底部框架柱往往因为不可能承受如此大的变形而导致破坏。最为典型的是1972年美国圣菲南多地震时奥立弗医疗中心主楼的破坏，在地震时底层的层间变形角约为1/20，见第4章4.6节。因此，我国规范和规程明确规定不允许设计全部为框支剪力墙的“鸡腿结构”，必须与落地剪力墙结合形成底部大空间结构，其特殊设计要求和设计概念将在9.3节介绍。

采用空腹桁架作为上部剪力墙和下部支承柱之间的转换也是可能的，由于经常将转换层与设备层结合，需要在托梁和剪力墙上开洞以便设备管道通过，采用空腹桁架有利于管线布置，有利于减轻转换层重量和减小转换层本身的刚度。国内研究认为，在框支剪力墙中，用空腹桁架转换的结构性能优于“实腹梁式”（即托梁）的转换层性能[69]。图9-14是两种转换层的对比试验，研究表明，实腹大梁本身刚度很大，框支柱首先在柱的两端出现裂缝，然后屈服形成柱端部的塑性铰，使框支层成为可变机构而导致破坏；而具有空腹桁架转换构件的框支剪力墙完全不同，一般在空腹桁架内部腹杆上出现裂缝，在腹杆的上、下端先出铰，框支柱可保持完好，见图9-14b，结构整体的延性及耗能能力均较大，见图9-14c。空腹桁架的竖向腹杆承受的剪力较大，应注意采取强剪弱弯的设计措施，当需要高位转换或者采用钢骨混凝土框支柱及转换层时，桁架式转换层将更加有利，腹杆配置型钢，足以抵抗较大的剪力。

如果剪力墙不直接支承在柱子上，而是支承在大梁上，然后大梁再支承在下部柱子上，形成复杂的多级传力系统，如图9-15所示，这种多级传力系统对结构十分不利，因为梁的弯曲变形会加大剪力墙的倾覆，各部分受力更加复杂，应当尽量避免这种结构布置，或采取特别可靠的加强措施。

高层建筑中上层剪力墙与下层柱的结构转换

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