高層建筑結(jié)構(gòu)與抗震設(shè)計(jì)研究
——以上海晨林花苑三期為例

陸建德

（上海眾鑫建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200093）

0 引言

晨林花苑三期位于上海市虹口區(qū)物華路與通州路之間，東側(cè)與晨林花苑一期、二期相連，西側(cè)為胡家木橋路河浜（沙涇港）景觀道。項(xiàng)目包括三幢主體建筑，其中1號(hào)樓高層住宅30層，高87.45m，2號(hào)樓高層住宅30層，高85.55m，3號(hào)樓公寓式酒店13層，高54.30m，每幢樓均設(shè)地下室，其中1號(hào)樓單體地下室與低層商業(yè)的地下室連成一體，地鐵4號(hào)線臨平路與海倫路站區(qū)間隧道從本項(xiàng)目場地穿過(位于1號(hào)樓與2號(hào)樓之間)，筆者作為本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)工種負(fù)責(zé)人具體設(shè)計(jì)了其中的1號(hào)樓高層住宅。

1 建筑結(jié)構(gòu)的總體布置

1號(hào)樓高層住宅采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，對于一幢30層的高層住宅，采用這一結(jié)構(gòu)型式已經(jīng)十分普遍，一方面結(jié)構(gòu)所布置的剪力墻及梁均與建筑的分隔墻互為一體，與建筑的使用功能不發(fā)生矛盾，另一方面結(jié)構(gòu)所布置的剪力墻承受豎向荷載及水平荷載的能力強(qiáng)，且結(jié)構(gòu)整體性好，側(cè)向剛度大，在水平荷載的作用下結(jié)構(gòu)側(cè)移小，應(yīng)該講剪力墻結(jié)構(gòu)是解決高層住宅抗震問題相對低成本的手段，而且結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析，參數(shù)調(diào)整也相對簡潔。

單體結(jié)構(gòu)體系確定后，結(jié)構(gòu)工程師便應(yīng)及時(shí)介入建筑設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的總體布置，建筑結(jié)構(gòu)的總體布置是指對其高度、平面、立面、和體型等的選擇，除應(yīng)考慮建筑的使用功能及建筑景觀要求外，在結(jié)構(gòu)方面應(yīng)滿足強(qiáng)度，剛度和穩(wěn)定性的要求，還應(yīng)保證建筑物具有良好的抗震性能[1]。相應(yīng)確定結(jié)構(gòu)布置方案的過程亦是一個(gè)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的過程，建筑抗震概念設(shè)計(jì)是指根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗(yàn)等所形成的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想，進(jìn)行建筑和結(jié)構(gòu)總體布置并確定細(xì)部構(gòu)造的過程。它主要體現(xiàn)在對建筑的場地，建筑體型、結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)延性等諸多方面在總體上進(jìn)行把控，并運(yùn)用建筑結(jié)構(gòu)抗震措施消除建筑中的抗震薄弱環(huán)節(jié)，提高結(jié)構(gòu)整體的抗震能力，而且應(yīng)將概念設(shè)計(jì)的內(nèi)容貫穿于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全過程中。對于剪力墻結(jié)構(gòu)來說，應(yīng)首先從總體上合理布置剪力墻所處的位置，確定剪力墻數(shù)量、長度及厚度，保證剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度均勻及剛度適宜。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)例1號(hào)樓單體的建筑平面為東西向軸線長41.5m，南北向軸線寬16.8m，層高2.9m，頂部若干層因建筑景觀要求作了局部階梯式退臺(tái)處理，標(biāo)準(zhǔn)層的建筑平面通過采取構(gòu)造措施后相對規(guī)則。單體結(jié)構(gòu)采用小開間布置剪力墻，遵循對稱、均勻、周邊、連續(xù)的布置原則，沿建筑物的兩個(gè)正交軸線雙向布置，其中兩個(gè)方向的抗側(cè)剛度應(yīng)相對接近，另在現(xiàn)時(shí)戶型多樣化的今天，要使剪力墻的布置對稱及對齊會(huì)有一定難度，這就要求所布置的剪力墻更應(yīng)注重剛度中心與質(zhì)量中心趨于重合，以減少結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)。還有為使剪力墻結(jié)構(gòu)的抗扭作用充分發(fā)揮，單體剪力墻的布置按弱中央強(qiáng)周邊的思路來展開，并應(yīng)盡可能使其所布置的剪力墻做到剛度傳遞，整體性好。單體中間部位除在樓、電梯間及有較多豎向荷載作用處并一些平面轉(zhuǎn)角處布置剪力墻外，其它中間部位盡量少布剪力墻，而在單體周邊部位的圍護(hù)墻處可適當(dāng)多布置剪力墻并同時(shí)連接與沿墻軸線方向垂直的墻肢，從而提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，控制結(jié)構(gòu)的周期比與位移。在具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，當(dāng)結(jié)構(gòu)計(jì)算已能滿足規(guī)范要求的位移限值時(shí)應(yīng)盡可能少布剪力墻，但可以在不增加剪力墻總量的基礎(chǔ)上適當(dāng)多布置些相對長一點(diǎn)的剪力墻，以減少暗柱數(shù)量、節(jié)約鋼筋用量[2]。

實(shí)例1號(hào)樓單體所布置的剪力墻肢以多均勻的相對長一些的墻肢為主，長度在2.5至4.5m左右，這類小于8m的墻肢受力后，裂縫較小，墻肢配筋亦能充分發(fā)揮作用。單體所布墻肢以帶冀緣的L型、T型為主，這些墻肢對提高延性，保證墻肢的穩(wěn)定性及改善截面的抗剪性能均有好處。另構(gòu)件剛度與墻肢長度的三次方正比，而與厚度的一次方成正比，故當(dāng)減薄墻肢截面的厚度，從而減輕建筑的總重量時(shí)，其結(jié)果并不嚴(yán)重削弱結(jié)構(gòu)的整體剛度。為此，剪力墻厚度的確定，應(yīng)在滿足規(guī)范對墻肢厚度穩(wěn)定性的要求后可設(shè)計(jì)的相對薄一些，實(shí)例1號(hào)樓單體剪力墻在8層樓面以下為240厚，8層樓面以上在平面的中間部位有一部分墻肢內(nèi)收為200厚，并墻肢厚度的變化與混凝土強(qiáng)度的改變錯(cuò)開樓層，以避免剛度突變。另剪力墻的布置均遵循概念設(shè)計(jì)的要求，做到上到頂、下至底，豎向剛度連續(xù)漸變。剪力墻結(jié)構(gòu)的每一段墻，可以是單片墻、整體小開口墻及聯(lián)肢墻，單體以聯(lián)肢墻為多，且其豎向高度與其水平長度之比均大于3，細(xì)高的剪力墻容易設(shè)計(jì)成彎曲的延性墻 從而可避免脆性的剪切破壞[4]。結(jié)構(gòu)工程師在具體布置墻肢時(shí)，應(yīng)兼顧到連梁的設(shè)計(jì)，并應(yīng)仔細(xì)考慮連梁與墻肢的協(xié)調(diào)工作及相互影響，連梁的設(shè)計(jì)與墻肢布置的多少及與之相連墻肢剛度的強(qiáng)弱等因素有關(guān)，通常剪力墻結(jié)構(gòu)的連梁剛度以設(shè)計(jì)的相對弱一些為好，以使其對墻肢的約束能力降低，相應(yīng)減小了連梁的彎矩及剪力，這樣一方面可方便配筋，另一方面亦增加了連梁的延性[3]。概念設(shè)計(jì)要求，剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)保證不發(fā)生剪切脆性破壞，即墻肢及連梁的設(shè)計(jì)需滿足“強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計(jì)原則，同時(shí)為滿足“強(qiáng)墻肢弱連梁“的要求，應(yīng)使連梁的屈服早于墻肢的屈服，但對于采用傳統(tǒng)配筋方式的連梁，不但要做到連梁先屈服，還要限制截面上的平均剪應(yīng)力，和提高配箍數(shù)量，這樣連梁的延性才能夠得到保證，同樣結(jié)構(gòu)中的墻肢延性也須通過采取抗震措施得到保證，并最終設(shè)計(jì)出抗震性能良好的延性剪力墻結(jié)構(gòu)。

實(shí)例1號(hào)樓單體連梁大多取470高，梁頂做至樓板面，連梁的跨高比基本控制在2.5至5.0之間，一般跨高比大于2.5的連梁，其變形能力強(qiáng)，相對容易形成延性構(gòu)件，當(dāng)跨高比接近5時(shí)，其剪切變形占連梁相對位移的比例較小，連梁相對位移則基本上以彎曲變形為主。另在按彈性方法對結(jié)構(gòu)作整體內(nèi)力分析時(shí)，按規(guī)范要求可對連梁的剛度進(jìn)行折減，減小其內(nèi)力，使其抗彎承載力降低。設(shè)計(jì)時(shí)按經(jīng)內(nèi)力調(diào)整后的彎矩進(jìn)行配筋，控制連梁抗彎鋼筋屈服較早出現(xiàn)塑性鉸，這樣就可以做到利用連梁變形消耗地震能量，從而使墻肢退居到第二道抗震防線的位置，避免因墻肢過早屈服使塑性變形集中在某一層而形成軟弱層或薄弱層。

3 建筑抗震設(shè)計(jì)

抗震設(shè)計(jì)包括概念設(shè)計(jì)、抗震計(jì)算設(shè)計(jì)及抗震措施，其中抗震措施是指除地震作用計(jì)算和抗力計(jì)算以外的抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容，包括抗震構(gòu)造措施。其本身就是基于概念設(shè)計(jì)思想的必要舉措。結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，依據(jù)整體的受力特征，在正確的概念設(shè)計(jì)指導(dǎo)下，運(yùn)用深入的計(jì)算分析，采取必要的抗震措施，使設(shè)計(jì)出的剪力墻結(jié)構(gòu)具備良好的抗震性能和經(jīng)濟(jì)效益[5]。

我國抗震規(guī)范對高層建筑的設(shè)計(jì)要求是：在正常使用荷載、風(fēng)荷載及小震作用下（多遇烈度），結(jié)構(gòu)應(yīng)處于彈性工作狀態(tài)，裂縫寬度不能過大；在中等強(qiáng)度地震作用下（設(shè)防烈度）結(jié)構(gòu)允許進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，此時(shí)結(jié)構(gòu)必須保證在非彈性變形的反復(fù)作用下，有足夠的承載力、延性及良好吸收地震能量的能力；在強(qiáng)烈地震作用下（罕遇烈度），結(jié)構(gòu)不允許倒塌，要保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。其中抗震計(jì)算設(shè)計(jì)主要是在小震作用下，按反應(yīng)譜理論計(jì)算地震作用，用彈性方法計(jì)算內(nèi)力及位移，并用極限狀態(tài)方法設(shè)計(jì)構(gòu)件。

抗震計(jì)算設(shè)計(jì)的目的是用定量方法估計(jì)地震反應(yīng)，以保證結(jié)構(gòu)有足夠的剛度和承載能力。在計(jì)算過程中，應(yīng)正確運(yùn)用設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行整體性能控制，使其滿足規(guī)范所要求的層剛度比、周期比、位移比、剪重比、層間受剪承載力比、剛重比等主要目標(biāo)參數(shù)，其相應(yīng)目標(biāo)為控制建筑結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性，以免豎向剛度突變，形成薄弱層、控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，減小扭轉(zhuǎn)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響、控制結(jié)構(gòu)平面規(guī)則性，避免產(chǎn)生過大的偏心而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)、控制各樓層最小地震剪力，確保結(jié)構(gòu)安全性、控制豎向不規(guī)則性，以免豎向樓層受剪承載力突變，形成薄弱層、控制結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，避免結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載或地震力的作用下整體失穩(wěn)。

單體1號(hào)樓基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用鉆孔灌注樁。在地勘報(bào)告所揭示的90m深度范圍內(nèi)，土層按成因及其工程特征分為九大層。由于單體基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)邊距內(nèi)圈線地鐵隧道邊最近距離14.2m，故單體樁基的設(shè)計(jì)除需滿足自身的結(jié)構(gòu)安全外，還需考慮對地鐵隧道產(chǎn)生附加變形的影響。而根據(jù)上海市軌道交通管理?xiàng)l例并按上海申通地鐵集團(tuán)有限公司要求的樁基設(shè)計(jì)比自身單體的樁基設(shè)計(jì)要求更高，其具體的要求是：灌注樁的樁徑不低于φ850mm，工程樁深度應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定的第九層，單樁豎向抗壓承載力設(shè)計(jì)值不超過2700kN，單體最大沉降量小于20mm。施工圖樁基設(shè)計(jì)時(shí)，由于限制了樁徑及樁基的持力層，故按要求采用了樁徑φ850mm，有效樁長66m的鉆孔灌注樁，,其計(jì)算的單樁豎向抗壓承載力設(shè)計(jì)值高于所要求的2700kN。最終通過采用樁底后注漿措施，即不考慮孔底沉渣影響并進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)的沉降計(jì)算，得出最大沉降量為11mm。滿足了主體結(jié)構(gòu)的安全及地鐵隧道的保護(hù)要求。

4 結(jié)語

抗震設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì)、抗震計(jì)算設(shè)計(jì)、抗震措施是不可分割且互為補(bǔ)充，其中概念設(shè)計(jì)帶有一定的經(jīng)驗(yàn)性，是抗震設(shè)計(jì)的重要組成部分。本文立足實(shí)踐設(shè)計(jì)得出：（1）總體上合理布置剪力墻所處的位置，確定剪力墻數(shù)量、長度及厚度，保證剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度均勻及剛度適宜；（2）當(dāng)結(jié)構(gòu)計(jì)算已能滿足規(guī)范要求的位移限值時(shí)應(yīng)盡可能少布剪力墻，但可以在不增加剪力墻總量的基礎(chǔ)上適當(dāng)多布置些相對長一點(diǎn)的剪力墻，以減少暗柱數(shù)量、節(jié)約鋼筋用量。

參考文獻(xiàn)：

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