某工程框架---剪力墙的结构设计
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摘要：通过笔者的实际工程案例，把工程中的框架--剪力墙结构在设计过程中产生的问题做一阐述，在本案设计布置的过程中，地下室顶板、洞口周边的框架梁等问题均会涉及，以此展开叙述，仅供同行参考。不足之处有待指点。
关键词：框架剪力墙；结构；参数；超筋；力矩
1工程概况
本工程位于市内某地块十字交叉交口，为地下1层(设备层)、地上20层的办公楼，东西长48.5m、南北宽17.5m，建筑高度79.9m，建筑面积19270m2。建筑平面成矩形，屋顶设有水箱间、电梯间、楼梯间。根据建筑高度及功能要求，本工程采用框架--剪力墙结构形式。
2工程地质情况与基础设计
本工程场地为软弱土，场地进行过真空预压处理。勘测期间水位比较低，地下水考虑干湿交替状态下，对结构混凝土有中度腐蚀，对混凝土中钢筋有强腐蚀性。地震基本烈度为7度，设计基本地震加速度0.15g，场地土类别Ⅳ类。
本工程±0.000高出室外地面0.60m，地下室地面高程为-4.250m。结构平面布置简单对称，受力比较均匀，基础采用独立桩基础加600mm厚防水板。桩基采用 800mm的钻孔灌注桩，摩擦型桩，单桩极限承载力标准值Quk=3900kN，桩基安全等级为一级。
3基本设计参数
本工程为丙类建筑，根据《建筑抗震设计规范》(GB50011―2001)(以下简称为《抗规》)第3.1.3、3.3.3、6.1.2条及《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3―2002)(以下简称为《高规》)第4.8.2条的规定，框架和剪力墙的抗震等级均为二级，并应按一级采取抗震构造措施。
4结构平面布置
结构的平面布置较为简单，呈矩形布置(图1)。由于甲方对功能的要求，一层设有大面积共享空间(图2)，楼板扣除开洞后，距轴的最小净宽度小于2m。根据《高规》第4.3.8条，采取了以下加强措施。
(1)将地下室顶板厚度设为180mm，将第一、二结构层的楼面设为120mm，并且都采取双层双向配置钢筋。
(2)将洞口周边的框架梁加宽，加强结构的整体性和抗扭刚度，减小地震作用下的扭转效应。
(3)计算中将第一结构层的楼板设置为弹性楼板。
《高规》第8.1.7条要求剪力墙宜采用周边、对称的布置。但由于使用功能的要求，导致本工程剪力墙布置过于集中在建筑的两端，同时与剪力墙连接的楼板，多有设备管道留洞。为加强楼板的整体性，设备管线安装后均采用后浇混凝土封堵，确保结构整体受力。
5结构竖向布置
本工程结构采用现浇钢筋混凝土框架--剪力墙体系，竖向体型比较规则，局部1～4层外挑3.00m。为了使结构的竖向刚度均匀变化，框架柱截面在第5层以下为950mm×950mm，第6层至第12层变为850mm×850mm，第13层至顶层为700mm×700mm。底部加强层为负一层到第3层，剪力墙厚为350mm，第4～8层墙厚为300mm，第9层到顶层为250mm。墙、柱混凝土强度等级：地下一层到3层C45，4到14层C40，14层以上C35。以上调整力求做到自下而上刚度逐渐均匀减小，竖向抗侧力构件连续，承载力无突变。
6结构计算主要问题及解决方法
本工程采用PKPM(SATWE)程序计算，其中计算过程中出现了一些问题，根据力学原理，对原有模型进行了调整，达到了满足规范的要求。
(1)初步计算后，扭转为主的第一周期Tt与平动为主的第一周期T1之比大于0.9，不满足《高规》第4.3.5条的规定。
通过力学分析，此种情况应调整抗侧力构件，加强周边竖向构件的刚度。于是结合建筑立面效果，将中间部位柱子的截面由950mm×950mm逐渐减小为700mm×700mm，将4个角柱的截面调整为950mm×1100mm，且①轴与⑧轴上的边柱截面调整为850mm×950mm。通过以上这些调整，减小了中间构件的竖向刚度，增大了结构的平动周期，同时，端部竖向构件断面的增大，使其刚度也有显著增加，从而增大了结构的抗扭刚度，最终结果为Tt/T1=1.7040/2.0167=0.845，满足《高规》第4.3.5条的规定。
(2)初步计算后，单向水平地震作用下，结构弹性层间位移角大于规范要求的1/800，不满足《抗规》第5.5.1条的规定。
本工程由于Y方向跨数(7.2m+3.0m+7.2m)较少，且使用功能限制了Y向墙体的数量，这是此方向地震位移不满足规定的主要原因。设计采取了以下措施：①在每个轴网内，做十字交叉次梁，减少楼板厚度，尽量减轻结构自重，以减少总的水平地震剪力；②由于高层结构在水平力的作用下几乎都会产生扭转，所以楼层平面处的位移差ΔU最大值一般在结构单元的边角部位。因此将这几层的①、⑧剪力墙截面保持到顶不变，增加结构的抗扭刚度，以尽量减小ΔU。
(3)连梁、一端与剪力墙连接的框架梁有严重超筋的现象。
按《高规》第7.1.5条的规定，单片墙的墙肢截面高度不宜大于8m，较长的墙体宜开洞后形成较均匀的若干墙段，采用弱连梁连接。计算中长度较大的墙会分担较大的地震剪力，而短墙肢在计算后配筋小，很容易破坏，这对抗震来说是“各个击破”，而不是整体受力，这样对结构很不利。本工程由于轴网比较大，墙截面高度都大于8m，因此除配合建筑在某些剪力墙开有门窗洞口外，在其他墙上开设了结构洞口，并用砌块后砌。这样也可保证剪力墙有足够的延性，提高整个结构的耗能能力，改善结构的抗震性能。在内力和位移的计算过程，由结构底部到总高度的1/3左右，剪力墙的侧移曲线的转角较小，剪力墙提供了极大的刚度，负担了极大的荷载，因此连梁容易出现超筋现象。参见《高规》第7.2.25条，设计采取了以下措施：①尽量减小连梁高度；②尽可能的加大洞口的宽度；③连梁的刚度折减系数调整到0.55。
(4)注意框架部分承受的地震倾覆力矩。
根据《高规》第8.1.3条的规定，在基本振型地震作用下，框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%时，框架部分的抗震等级应按框架结构采用。框架承受的地震倾覆力矩可以按进行计算。本工程采用SATWE模型计算时，设有一层地下室，因此应读取地上一层的计算数据，其框架部分承担的地震倾覆力矩分别为：X向地震43.38 %、Y向地震33.87 %。由此可知，原设计假定―――将框架抗震等级设为二级是正确的。
7结语
框架--剪力墙结构在设计过程中应将概念设计和计算分析结合起来，根据初步计算的结果，不断的进行调整试算。遇到问题应从力学基本原理出发，仔细分析产生问题的原因，合理有效地解决设计中的问题。
在整个平面布置中，剪力墙的布置是最关键的。在条件允许的情况下应尽量周边、对称的布置，这样才能做到刚度合理分配。并且应加强结构的关键部位和薄弱环节，减少不必要的墙体布置，从而使结构的刚度、位移角、周期比等满足规范的要求，达到结构方案安全、经济合理的要求。
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