剪力墻結(jié)構(gòu)高層住宅中電梯間偏置布置的探討

張 歡

上海市建工設(shè)計研究總院有限公司 上海 200235

當(dāng)前的高層住宅類建筑，為了提高土地使用率，改善戶型朝向，比較多的一種設(shè)計是樓梯間、電梯間布置在建筑的北面，樓梯通過室外連廊連通，為滿足連廊與主體結(jié)構(gòu)消防間距的要求，北側(cè)電梯間一般外凸尺寸較大。這就導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剛度偏向北面。

此種結(jié)構(gòu)布置存在的問題有如下2點(diǎn)：

1）樓梯間、電梯間剪力墻造成整體剛度偏移，且樓梯間、電梯間內(nèi)部整板開洞，再加上與主體的連接較弱，剛度無法水平向傳遞，存在“虛剛”的問題，對結(jié)構(gòu)抗震不利。

2）連廊在平面內(nèi)以及平面外的結(jié)構(gòu)剛度較弱，同樣對結(jié)構(gòu)抗震不利。

1 剪力墻布置的2個要素

剪力墻布置的2個要素為數(shù)量和位置。

剪力墻的數(shù)量是決定整體結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的關(guān)鍵。當(dāng)剪力墻的數(shù)量太少時，結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度弱，遇到較大的側(cè)向力，比如罕遇地震時，結(jié)構(gòu)整體不能夠滿足安全性和正常使用要求。有學(xué)者認(rèn)為地震的作用非恒定值，與周期剛度有關(guān)，當(dāng)剛度很小時，周期很長，地震作用效應(yīng)小，相對位移小，此時的結(jié)構(gòu)未必合理[1]。當(dāng)剪力墻數(shù)量過多時，結(jié)構(gòu)延性下降，自振周期減小，結(jié)構(gòu)整體剛度大，較大的剛度導(dǎo)致較大的地震作用，結(jié)構(gòu)內(nèi)力因此增加，不僅造價較高，而且同樣不安全。

剪力墻布置的原則是：建筑周邊布置剪力墻較多，中間位置相對較少，墻肢盡量分布均勻，連梁連接剪力墻，形成整體，梁跨宜控制在5 m以內(nèi)。

2 實(shí)例研究

某高層住宅地上27層，高78.5 m，剪力墻結(jié)構(gòu)，嵌固端為地下室頂板（圖1）?？拐鹪O(shè)防烈度7度，設(shè)計基本地震加速度為0.10g，Ⅳ類場地，設(shè)計地震分組為第一組，場地特征周期值0.65 s，風(fēng)荷載取50年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓0.45 kN/ m2。

圖1 項目建筑結(jié)構(gòu)平面示意

當(dāng)凸出主體平面的樓梯間、電梯間合圍成筒體設(shè)計時，雖然樓梯間、電梯間內(nèi)部整板開洞，但是對整體抗震來說，剪力墻傳力連續(xù)；樓梯間、電梯間與主體結(jié)構(gòu)的連接部位，適當(dāng)?shù)夭贾秘Q向構(gòu)件，確保復(fù)雜受力部位的強(qiáng)度。此種情況下可認(rèn)為樓梯間、電梯間與主樓有可靠連接，計算結(jié)構(gòu)高寬比的“等效寬度”可計入樓梯間、電梯間的尺寸，無需額外分析樓梯間、電梯間的“虛剛”問題。但是合圍成筒體時整體剛度偏移更大，且造成造價上的浪費(fèi)，并不十分推薦。樓梯間、電梯間未合圍成筒時，則需要計算分析局部“虛剛”及樓梯間、電梯間墻體的穩(wěn)定性問題；同時受限于建筑使用功能的需求，樓梯間、電梯間與主體結(jié)構(gòu)連接較弱，計算結(jié)構(gòu)的高寬比等效寬度不可計入樓梯間尺寸。

JGJ 3—2010《高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.3.2條規(guī)定，框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系最大高寬比不宜大于6。高層建筑的高寬比，是對結(jié)構(gòu)剛度、整體穩(wěn)定、承載能力和經(jīng)濟(jì)合理性的宏觀控制。在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高層建筑中，如何計算高寬比是比較難以確定的問題。一般情況下，可按所考慮方向的最小寬度計算高寬比，但對突出建筑物平面很小的局部結(jié)構(gòu)（如樓梯間、電梯間等），一般不應(yīng)包含在計算寬度內(nèi)。對于不宜采用最小寬度計算高寬比的情況，應(yīng)由設(shè)計人員根據(jù)實(shí)際情況確定合理的計算方法。建筑高寬比的確定，通常采用最小投影法、面積法、剛度法。對于樓梯間、電梯間剪力墻偏置情況下的高寬比，如若采用最小投影法，即計算建筑物的最小投影寬度，完全忽略了突出局部對于整體剛度的貢獻(xiàn)，太過于保守，造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。如采用面積法，使用反算面積相等的矩形來計算高寬比，需要標(biāo)準(zhǔn)層的剛度在平面內(nèi)幾乎做到均勻布置，本項目剛度中心明顯偏置，顯然不適用。與本項目相似類型的住宅適合采用剛度法，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本原理，采用等剛度原則進(jìn)行寬度換算[2]，再進(jìn)一步確定等效寬度，遵循客觀事實(shí)，具有較大的合理性。

本工程在設(shè)計中，已去除外凸樓梯間、電梯間剪力墻后復(fù)核結(jié)構(gòu)高寬比以及結(jié)構(gòu)位移指標(biāo)。經(jīng)復(fù)核，不考慮樓梯間、電梯間，樓層有效寬度為10.75 m，相應(yīng)結(jié)構(gòu)高寬比＝78.5/10.75＝5.75＜6，滿足規(guī)范的要求，不需要采用等剛度法折算建筑寬度。去除外凸樓梯間、電梯間剪力墻之后，結(jié)構(gòu)位移指標(biāo)也同時滿足規(guī)范要求。

建立3種計算模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，如圖2～圖4所示。其中：圖2為原結(jié)構(gòu)計算模型；圖3為優(yōu)化模型1，為將原結(jié)構(gòu)北側(cè)樓梯間、電梯間的剪力墻刪除，用剛度較小的400 mm×400 mm框架柱代替，傳遞豎向荷載；圖4為優(yōu)化模型2，為將與主樓連接相對較強(qiáng)的樓梯間剪力墻保留，與主體平面連接相對較弱的中間一個電梯間完全刪除，不參與計算[3]。計算采用盈建科YJKS 3.0.1版系列軟件。對比3個模型的計算，計算結(jié)果見如表1所示。

圖2 原結(jié)構(gòu)計算模型

圖3 優(yōu)化方案1

圖4 優(yōu)化方案2

表1 3種模型結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

結(jié)構(gòu)的剛度和位移存在反相關(guān)的函數(shù)關(guān)系，結(jié)構(gòu)的剛度通過位移來體現(xiàn)，規(guī)范對于結(jié)構(gòu)剛度的控制，主要是通過控制位移目標(biāo)（地震和風(fēng)荷載下的位移）得以實(shí)現(xiàn)。通過分析表1中數(shù)據(jù)可以看到，樓梯間、電梯間的剪力墻改成框架柱之后，結(jié)構(gòu)剛度有所削弱，削弱值在10%左右。因此為保證結(jié)構(gòu)整體的豎向剛度，相同類似住宅結(jié)構(gòu)需保證y向位移角在1/1 150以上，不宜過度優(yōu)化以確保整體剛度。

如圖5所示，對比原計算模型以及優(yōu)化方案1可知，忽略樓梯間、電梯間剪力墻的剛度導(dǎo)致內(nèi)力重新分布，其余位置剪力墻底部最大剪力增幅超過25%（用紅色標(biāo)記）?？傻玫浇Y(jié)論，在不考慮最外側(cè)剪力墻剛度計算時，如果整體抗側(cè)剛度不滿足規(guī)范的要求，那么首先補(bǔ)強(qiáng)紅色位置的墻體是比較合理的。

圖5 優(yōu)化模型1的剪力墻底部最大剪力增幅超過25%

結(jié)構(gòu)采用SATWE進(jìn)行內(nèi)力計算時，底部樓層樓梯間、電梯間局部墻肢呈現(xiàn)小偏拉受力形式，故在模型計算時，需補(bǔ)充計算小偏拉墻肢在中震下拉應(yīng)力，當(dāng)中震下墻肢拉應(yīng)力小于混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值時，可通過加強(qiáng)墻體配筋抵抗小震下的拉應(yīng)力并復(fù)核墻肢裂縫。同類型建筑樓梯間、電梯間最外側(cè)墻肢拉應(yīng)力通常會大于混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，因此設(shè)計過程中需要按照小偏拉墻肢產(chǎn)生裂縫不參與抵抗地震作用的情況下，使用改框架柱代替的小震模型進(jìn)行配筋包絡(luò)設(shè)計。

3 長連廊中震彈性樓板應(yīng)力分析

塔樓在北側(cè)2個樓電梯井筒間設(shè)置了開敞式走廊，走廊兩側(cè)均為開洞，連廊寬度為2 200 mm?？紤]到長連廊樓板不利的影響，板厚取150 mm，樓板混凝土強(qiáng)度等級均為C30。本工程的樓板應(yīng)力分析取地震力最大的15層的樓板應(yīng)力，通過應(yīng)力分布圖得出樓板受力集中于相對薄弱的部位，為樓板的構(gòu)造加強(qiáng)提供依據(jù)。分析了設(shè)防地震荷載組合1.2倍重力荷載+1.3水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值下的樓板應(yīng)力，如圖6所示。

圖6 15層樓板應(yīng)力等值線

由圖6可知，樓板普遍應(yīng)力值小于5.0 MPa，局部出現(xiàn)最大樓板拉應(yīng)力值為10.2 MPa，采用φ10 mm@150 mm雙層雙向局部附加φ16 mm@150 mm，則每延米抗拉應(yīng)力設(shè)計值為1 342 kN，最大樓板拉應(yīng)力對應(yīng)的樓板每延米應(yīng)力設(shè)計值為1 315 kN＜1 342 kN，從而保證在設(shè)防地震作用下的鋼筋彈性。另外需注意，連廊邊梁底部鋼筋在中震彈性計算下增加較大。綜上所述，連廊的邊梁、樓板的加強(qiáng)措施為：采用薄弱部位鋼筋加強(qiáng)的方式，從而保證在連廊設(shè)防地震作用下鋼筋彈性，同時與連廊相連的周邊構(gòu)件按照有無連廊，分別進(jìn)行配筋的包絡(luò)設(shè)計，連廊以及相鄰一跨的樓板，板厚加大150 mm，連廊邊梁連續(xù)伸入主體結(jié)構(gòu)，形成連續(xù)梁。

4 結(jié)語

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高層住宅建筑的形式也在不斷翻新，為做好高層住宅的結(jié)構(gòu)設(shè)計，需要關(guān)注如下幾個方面：

1）控制高寬比、選取合理的結(jié)構(gòu)體系。高層建筑的高寬比是對結(jié)構(gòu)剛度、整體穩(wěn)定、承載能力和經(jīng)濟(jì)合理性的宏觀控制，控制高寬比是結(jié)構(gòu)體系合理的前提。

2）提供足夠的安全儲備，保證實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)計的三水準(zhǔn)設(shè)防要求。本項目尤其需要控制結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的富余量，保證在樓梯間、電梯間最外側(cè)剪力墻退出計算情況下，剩余結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能滿足抗震要求。

3）良好的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。結(jié)構(gòu)設(shè)計中，平面的合理布置和構(gòu)造措施尤為關(guān)鍵，是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性的重要手段。對于建設(shè)單位來說，良好的經(jīng)濟(jì)性是評判結(jié)構(gòu)體系是否合理的主要指標(biāo)。

本文通過實(shí)際工程分析研究了高層剪力墻住宅電梯間偏置布置時，應(yīng)考慮的因素以及設(shè)計過程中采用的具體辦法，對剪力墻布置和連廊設(shè)置需要注意的問題做了詳盡的論述，可作為今后類似建筑設(shè)計過程中的參考。