底部大空间剪力墙结构设计中一些问题的探讨

关于底部大空间剪力墙结构设计中一些问题的探讨底部大空间剪力墙结构也称为部分框支剪力墙结构，规范对该结构有专门的规定，具体参见JGJ3-2002.10.2节。本人结合所做的项目对在底部大空间剪力墙设计中遇到的问题作如下一些探讨。一．关于转换层上一层位于转换梁上的墙体轴压比和墙配筋超限的问题转换层上一层墙体轴压比超限是一个比较普遍的问题，按照常规做法，我们会把超限的墙体加厚或把墙体适当加长，这样固然可以减小轴压比，但如果加厚和加长的墙体比较多时会带来另外一个不利情况：把转换层上一层的侧向刚度加大了。由于底部大空间的层高一般较高以及部分剪力墙不落地改为框支，故转换层的侧向刚度一般都比上一层的要弱，所以规范JGJ3-2002附录E对转换层上、下结构侧向刚度有明确的规定。其目的主要是保证转换层下部有适宜的侧向刚度、强度、延性和抗震性能。应尽量强化转换层下部主体侧向刚度，弱化转换层上部主体侧向刚度，使转换层上下结构的侧向刚度比及变形特征尽量接近。提高转换层上部的侧向刚度无疑对调整上下结构侧向刚度比等计算参数或是结构造价方面都有不利影响。首先，我们应对它超限的原因进行分析，我以正在做的水上乐园地块改造项目作为例子，该工程地下一层，地上28层，四层裙房，转换层设在裙房顶层(结构层第五层)，属于高位转换，我摘取试算过程中其中一片墙的墙底内力设计值作为例子.截面参数(m)B*H=0.300*1.150墙分布筋间距(mm)SW=200.0混凝土强度等级RC=45.0主筋强度(N/mm2)FYI=360.0分布筋强度(N/mm2)FYJ=360.0抗震等级NF=1地震烈度七度轴压比限值μ=N/fcA≤0.5(加强部位)转换层以上一层Z6（第六结构层）计算Asw的设计弯矩(kN•m)CM=-1872.7计算Asw的设计轴力（kN）CMN=-4875.6计算Aswh的设计剪力（kN）CV=-805.8计算Aswh的设计轴力（kN）CVN=-4375.9转换层以上二层Z7（第七结构层）计算Asw的设计弯矩(kN•m)CM=-165.0计算Asw的设计轴力（kN）CMN=-3677.2计算Aswh的设计剪力（kN）CV=-327.2计算Aswh的设计轴力（kN）CVN=-3818.1转换层以上三层Z8（第八结构层）计算Asw的设计弯矩(kN•m)CM=-508.4计算Asw的设计轴力（kN）CMN=-1254.7计算Aswh的设计剪力（kN）CV=-345.3计算Aswh的设计轴力（kN）CVN=-3362.0该段墙在Z6层处轴压比为0.51,超限。由上可以看出，带转换层的高层建筑在转换层上层剪力分配的确存在着很大的突变，Z6层的设计剪力是Z7或Z8层的好几倍。但同时我们也发现轴力的变化不合常理，Z6,Z7的轴力都比较大，但是到了Z8层却突然变小了3倍多。再摘取另外一片墙体的内力作比较，该片墙为落地剪力墙，在Z6层处轴压比也超限。墙分布筋间距(mm)SW=200.0混凝土强度等级RC=45.0主筋强度(N/mm2)FYI=360.0分布筋强度(N/mm2)FYJ=360.0抗震等级NF=1Z6层（第六结构层）计算Asw的设计弯矩(kN•m)CM=96.7计算Asw的设计轴力（kN）CMN=-13480.5计算Aswh的设计剪力（kN）CV=178.9计算Aswh的设计轴力（kN）CVN=-13480.5Z7层（第七结构层）计算Asw的设计弯矩(kN•m)CM=-117.7计算Asw的设计轴力（kN）CMN=-13097.2计算Aswh的设计剪力（kN）CV=6.4计算Aswh的设计轴力（kN）CVN=-13097.2Z8层（第七结构层）计算Asw的设计弯矩(kN•m)CM=-80.9计算Asw的设计轴力（kN）CMN=-12486.3计算Aswh的设计剪力（kN）CV=-27.2计算Aswh的设计轴力（kN）CVN=-12486.3该片落地剪力墙尽管在Z6层处轴压比也超限，但它的设计轴力变化还是线性的，应该说比较合理。但为什么转换梁上的剪力墙轴力会有这么大的变化呢，会不会是程序上的问题呢？于是查阅了一些资料和一些结构论坛，对这种情况主要由以下两种观点：一是认为主要是由于转换梁的竖向变形及梁墙的变形协调，加上以上楼层水平方向约束共同作用产生，主要是竖向荷载而非水平作用引起；二是认为仅仅是转换梁与剪力墙交接处因转换梁的受弯挠度而引起软件中的某部分计算单元产生奇异。不管是哪种观点，最后都可以认为转换梁的刚度对结果是有影响的。鉴于此种原因，用手工对轴压比进行了复核：查出墙底恒载作用下和活载满布下的内力，分别乘以1.2和0.5的系数，按N/fc*A复核。同时适当加强了转换梁的刚度,并使转换层的刚度也得以加强，这样更有益于转换层上下刚度比的调整。在最近的pkpm新天地咨询台有过对类似问题的回答：新版本增加了一项托梁刚度放大系数，把这个系数调成100，是专门解决转换层上剪力墙超筋而提出的做法。但是个人认为是否可以提高到100，还得设计者自己斟酌。二．转换层定义弹性板的问题对于框支转换结构，转换梁不仅会产生弯矩和剪力，而且还会产生较大的轴力，这个轴力不能忽略。在SATWE软件中，只有定义弹性楼板才能产生转换梁的轴力。因此，对于框支转换结构，必须整层定义弹性楼板。那么我们在计算中用到的四种计算模式：刚性板假定；弹性板6假定；弹性膜假定；弹性板3假定到底有什么意义，它们的适用范围又是怎样的呢，本人查阅了相关资料，总结如下：1.刚性板假定假定楼板平面内无限刚，不计平面外刚度。1）梁刚度放大系数的应用《高规》第5.2.2条规定：在结构内力与位移计算中，现浇楼面和装配整体式楼面中梁的刚度可考虑翼缘的作用予以放大。楼面梁刚度增大系数可根据翼缘情况取1.3～2.0。对于无现浇面层的装配式结构，可不考虑楼面翼缘的作用。2）适用范围：楼板形状比较规则的结构。2.弹性板6假定1)楼板的平面内刚度和平面外刚度均为有限刚。2)适用范围：板柱体系或板柱－剪力墙结构。3.弹性膜假定1)采用平面应力膜单元真实地反映楼板的平面内刚度，同时不计平面外刚度。2)适用范围：广泛应用于楼板厚度不大的弹性板结构中，比如体育场馆等空旷结构、楼板局部大开洞结构、楼板平面布置时产生的狭长板带（如图1（C）所示，图略）、框支转换结构中的转换层楼板、多塔联体结构中的弱连接板（如图3所示，图略）等结构。4.弹性板3假定1)楼板平面内刚度无限大，平面外刚度为有限刚。程序采用中厚板弯曲壳元来计算楼板平面外刚度。2)适用范围：厚板转换层结构和板厚比较大的板柱体系或板柱－抗震墙体系。3)注意事项：(1)要在PMCAD软件的人机交互式建模中输入100mm×100mm的虚粱。虚梁在结构设计中是一种无刚度、无自重的梁，不参与结构计算。它的主要作用有以下三点：a.为SATWE或PMSAP软件提供板的边界条件；b.传递上部结构的竖向荷载。c.为弹性楼板单元的划分提供必要条件。(2)采用弹性板3模式进行设计时，与厚板相邻的上下层的层高应包含厚板厚度的一半。在设计中的其他一些问题将在以后做后续讨论。