高层建筑剪力墙结构概念设计

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：在我国，底部大空间剪力墙结构应用十分广泛，是具有中国特色的一种结构体系，通过我国自己的研究和工程实践形成了成套设计和施工技术[70]～[74]。关于高位转换底部大空间剪力墙结构属于复杂结构，高位转换又带来新的问题，为此，国内进行了一些研究[76]～[78]。

在剪力墙结构中，不允许将全部或大部分剪力墙设计成框支，必须有一定数量的落地剪力墙，形成底部大空间剪力墙结构，也就是说，框支剪力墙的软弱层由落地剪力墙加强，将框支剪力墙剪力转移到转换层以下的落地剪力墙上，从而避免软弱层引起的震害。在我国，底部大空间剪力墙结构应用十分广泛，是具有中国特色的一种结构体系，通过我国自己的研究和工程实践形成了成套设计和施工技术^[70]～[74]。

下面介绍其主要的设计概念，具体的规定可直接查阅规范和规程。

（1）加强框支层刚度，要求转换层及其上、下楼层层刚度基本均匀应当有一定比例的、贯穿上下直至基础的落地剪力墙（或实腹筒），并适当加大落地剪力墙下部厚度或提高其混凝土等级，以增加下部各层刚度，使转换层上、下结构整体抗侧刚度比接近；如果下部抗侧刚度不足时，要另外布置一些筒体或剪力墙，使转换层以下的结构具有足够抗侧刚度，减小层间位移。

我国规程要求计算转换层上部和下部的等效刚度，要求采取措施，使上、下层等效刚度相等或相差不大，以避免层间变形突变，当底部只有1层框支层时，要求计算等效剪切刚度比（只计入剪切刚度），当框支层大于1层时，要求计算综合等效刚度比（计入弯曲、剪切、轴向等变形的综合影响），具体的计算方法见规程。规程方法是简化的实用方法，要注意计算简图合理，如果计算简图不符合实际，得到的结果也不符合实际，或很难调整到符合规程要求的比例，特别是当转换层与设备层结合而层高较小时，转换层本身的层刚度变得很大而使设计困难。实际上，在水平力作用下（静力）结构的层间变形角是否均匀是检查结构刚度是否均匀的最基本的要求，层间变形角可通过结构整体分析获得，结构抗侧刚度突变应当反映在层间变形曲线上。因此，底部大空间结构沿高度的刚度是否均匀也可以通过转换构件所在层与上、下相邻层的层间变形的比值加以检验。相邻两层的层间变形角之比值为，如果该比值接近于1，不小于0.5，也不大于2.0，则可认为层间变形基本均匀，在抗震结构中，宜控制得更严一些为好（例如0.7～1.6之间）。

（2）提高框支层构件的承载力，避免出现薄弱层除了上、下楼层刚度比要求基本均匀外，转换层以下的框支柱和剪力墙的承载力和延性都要加强，避免造成刚度又小、承载力也没有富余而形成的薄弱层，因此，对于框支剪力墙和落地剪力墙还需要采取特殊设计措施，以保证其承载力和延性。

在弹性阶段，框支柱承受的剪力很小，图9-16给出了一幢典型的底部大空间剪力墙结构中各片框支剪力墙和落地剪力墙的剪力图，在转换层以上框支剪力墙承受的剪力和落地剪力墙接近，转换层以下大部分剪力转移到落地剪力墙上，使落地剪力墙（P1、P2、P3、P4墙）底部承受很大剪力；框支剪力墙（P5、P6墙）承受的剪力迅速减小；然而框支剪力墙承受的倾覆力矩不转移，因此框支柱承受的轴向力仍然很大。在弹塑性阶段，一般是落地剪力墙首先出现裂缝或出现塑性铰，落地剪力墙刚度降低，框支柱承受的剪力将会增大，规程规定了框支柱的剪力调整系数，弯矩也相应加大。

由于框支柱上、下端都与刚度很大的构件连接（上端为转换梁，下端为基础），端部容易出现水平裂缝和斜裂缝，在构造上必须注意箍筋的配置，一般采用复式箍筋，对于底层或两层框支剪力墙，则要求框支柱全高都加密箍筋，多层框支柱的最上层和最底层应全层加密箍筋。抗震要求较高的结构宜采用钢骨混凝土柱，若采用空腹桁架做转换构件，可改善柱端的不利条件。

图9-16 框支剪力墙和落地剪力墙的剪力分配图

当框支层只有一层或两层时，落地剪力墙的设计措施是：增大落地剪力墙底部的抗弯承载力，将首先屈服的截面转移到转换层以上，使落地剪力墙在转换层以下不出现或推迟出现塑性铰。对底部大空间剪力墙结构进行了单片墙和整体结构的模型试验^[75]，采取加强措施和未采取措施的单片落地剪力墙模型的实测变形曲线如图9-17所示，采取措施后，转换层以下落地剪力墙的变形减小，可以保护框支柱，框支柱没有过大的变形，就不会出现薄弱层。

为使落地剪力墙转换层以上的截面屈服早于以下的截面，要增大底部剪力墙截面设计内力，使下部截面的安全余度大于上部剪力墙截面，现行规范及规程采用了简化方法增大内力，即将弹性组合内力值乘以增大系数（增大落地剪力墙的底层剪力及弯矩设计值的具体方法见规程），这种方法不能保证在强地震作用下落地剪力墙底部仍然处于弹性状态，因此对框支柱采取增大内力、加强构造的措施仍然是必要的。

对于落地剪力墙，还要采取加强延性的构造措施，特别是在转换层以下的墙肢中，由于剪力增大，底部截面的剪跨比减小，可能会进入“矮墙”的剪跨比范围，应考虑不利情况的设计要求。

图9-17 落地剪力墙的实测变形曲线比较（清华大学）

a）转换层顶屈服 b）底截面屈服

近年来，由于建筑功能多样化的要求，不仅在底层和底部少数层布置大空间，还要求设计多层大空间（大于3层），也就是所谓的“高位转换”，在底部多层大空间结构中要求全部落地剪力墙在转换层以下都不屈服是不经济的，也是不恰当的。因此，对于底部大空间结构的“低位”和“高位”转换，就应当采取不同的设计措施。

（3）关于高位转换底部大空间剪力墙结构属于复杂结构，高位转换又带来新的问题，为此，国内进行了一些研究^[76]～[78]。

文献[76]计算了一座有转换层剪力墙结构的弹性地震反应（输入EI Centro NS地震波），该结构30层、总高为99m，其平面图见图9-18，对比了没有转换层和转换层位于1层、3层、5层、7层、9层、11层的不同结构，按照规程的计算方法，转换层在1层时，计算的等效剪切刚度比为2.77，其他情况按照转换层上、下的综合等效刚度比计算，依次为1.22、1.19、1.13、1.17、1.20。图9-19a是层间位移角地震反应包络图的比较，从图中可见，在转换层上、下层的层间位移角有突变，一般是转换层以上一层的层间位移角最小，然后又增大（出现突变），达到最大值以后再逐渐减小；转换层在1层时的层间变形突变比较小，转换层较高的位移突变明显，而值得注意的是转换层愈高，顶点位移和最大层间位移角的绝对值反而减小了。图9-19b比较了改变等效刚度比的差别，当转换层位于第7层时，加大框支层的构件截面，使转换层上、下的等效刚度比由1.13减少到1.04，由图可见，刚度比减小后，结构的层间位移角减小，突变也减小了一些，转换层在其他层时得到的规律相同。在转换层附近层间位移角有突变的各层，层转角比值γ_e（转换层上层转角/转换层转角）都在0.8～1.3之间。

图9-18 30层有转换层的剪力墙结构平面

a）转换层以下楼层平面图 b）转换层以上结构平面图

此外，还计算对比了结构的周期和振型等动力特性，转换层升高以后有些变化，但变化不大。

文献[77]对另一个底部大空间结构进行了弹性时程分析研究，该结构平面示于图9-20，建筑总高为121.5m，计算比较了转换层分别在1层、2层、3层、4层、5层、6层、7层的七种情况，它们的转换层上、下用等效剪切刚度比控制，比值分别为1.71（转换层在1～6层）和1.6（转换层在7层）。计算的层间位移角包络图示于图9-21a，由图可见，转换层在1层、2层、3层的结构层间位移角曲线突变不大，而转换层在4～7层时有明显突变，转换层以上一层的层间位移减小，然后层间位移角再加大，总的规律与文献[76]相似。图9-21b说明了提高框支层刚度的效果，转换层在7层，当转换层上、下的综合等效刚度比由1.6降低到1以后，侧移减小，层间位移角也减小，且消除了突变。

图9-19 层间位移角地震反应包络图比较^[76]

a）转换层在不同高度 b）转换层在第7层，改变等效刚度比

图9-22是上述剪力墙结构剪力的分配情况比较，图a为转换层在1层时的剪力分配，图b、图c是转换层在7层的剪力分配，其中图b对应于转换层以下刚度较小的情况，图c对应于转换层以下刚度提高以后的情况，由图可见，在转换层以上框支剪力墙的剪力先加大，然后剪力突然减小，落地剪力墙的剪力先减小，然后剪力突然加大。但是当转换层在1层时这种交互传递并不明显，转换层在7层时这种交互传递变得十分明显，尤其是在框支层刚度较小时更加严重。

文献[78]研究了转换层升高对结构动力特性的影响，如果转换层位置正好与高振型的较大幅值位置重合，则高振型影响将加大，图9-23是高振型对转换层在不同高度结构的影响，当转换层在第9层时，高振型影响增大（图9-23d）。因此高位转换的结构应当选取更多的振型数进行振型组合，特别当转换层刚度及重量较大时，影响会更大。

图9-20 总高为121.5m的有转换层的剪力墙结构平面图

还有一些其他关于高位转换的剪力墙结构研究，得到的共同结论是：转换层楼层升高使结构周期和振型略有变化，但不会引起很大变化；转换层升高对顶点位移、总层剪力和总倾覆力矩的影响也不大；但是在框支剪力墙和落地剪力墙之间的剪力分配会有较大变化；转换层以上一层可能出现层间位移角突变，但是转换层位置升高并不会使突变更加严重，最大层间位移角的绝对值还可能减小；加强转换层以下结构刚度，有利于减小层间位移的绝对值，也有利于减小和缓和剪力分配的突变程度。此外，高位转换结构中，减小转换层本身的刚度和质量对减小转换层楼层处的突变影响明显。

图9-21 层间位移角包络图比较^[77]

a）1～7层分别设置转换层时结构层间位移角包络图 b）刚度调整后的结构位移和层间位移包络图（转换层在第7层）

图9-22 框支剪力墙和落地剪力墙之间的剪力分配^[77]

a）转换层位于一层 b）转换层位于7层（框支层刚度较小） c）转换层位于7层（框支层刚度提高）

图9-23 转换层升高时高振型影响^[78]

a）转换层位于首层 b）转换层位于3层 c）转换层位于6层 d）转换层位于9层

有少量试验及弹塑性分析研究表明，没有必要要求转换层以下完全处于弹性，但是在转换层附近容易出现裂缝，与转换层相邻的竖向构件端部容易开裂和屈服，容易形成薄弱层，与转换层相邻的构件应采取加强构造的措施，改善构件延性，防止裂缝出现后的过早破坏。分析表明，选取不同的加强部位、采取不同的加强措施会改变弹塑性地震反应的结果。

上述一些研究都是针对一些具体结构进行的，虽然每个结构都具有一定的代表性，也得到了一些共性，可提供一些设计概念，说明高位转换是可行的，但是由于结构布置不同，有些结果还是有差别，特别是由于刚度、质量沿高度分布不均匀的程度，构件加强措施是否得当，均会引起变形、内力分配以及弹塑性地震反应的变化；类似结构的试验研究也还不多，因此，对于高位转换的底部大空间剪力墙结构这样的复杂结构，可以做，但应当慎重设计。因此建议：

1）由于高位转换时刚度和质量较大的转换层升高，调整转换层本身及其上、下的刚度比使之接近是必要的，转换层本身的刚度和质量不宜大，最终可通过水平力（静力）作用下精确的空间分析检查转换层附近的层间位移角是否基本均匀。

2）宜尽量选用刚度和重量较小的转换层结构形式，计算时应多取参与组合的振型数。

3）通过计算，仔细分析可能存在的薄弱部位，研究具体的内力分配特点，通过调整内力和构件配筋设计改善薄弱部位的性能。

4）在高层建筑中，高位转换的底部大空间剪力墙结构宜进行抗震性能设计，进行弹塑性计算（弹塑性静力分析或时程分析），以检验大震下的塑性铰分布规律和层间变形，保证结构在大震下的安全。

高层建筑剪力墙结构概念设计

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