某高層住宅混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計方法的探討

張城雨

上海寶冶集團有限公司 上海 200941

引言

隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展以及居住水平和生活方式的轉(zhuǎn)變，高層住宅建筑近幾年的使用率急增，而住宅建筑的抗震設(shè)計越來越重要，尤其是對一些地震頻繁發(fā)生地區(qū)的高層住宅建筑物，其破壞和倒塌的后果就更加嚴(yán)重，抗震要求更加要提高。

下面列舉某個項目的8-4#樓單體結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)說明。

1 工程概況

本項目建筑面積，含保溫，地上總建筑面積10026.36m2，地上地下總建筑面積10598.74m2，地下一層自行車庫，層高2.7m，地上18層，層高2.8m，建筑高度52.5米，屋頂有飄架造型；左側(cè)帶自行車坡道，結(jié)構(gòu)形式為剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為七度，設(shè)計地震分組第一組，設(shè)計基本地震加速度0.10g，場地類別上海IV類，Tg=0.9秒，建筑結(jié)構(gòu)阻尼比0.05，水平地震影響系數(shù)最大值多遇地震為0.08，罕遇地震為0.50。建筑結(jié)構(gòu)的長×寬尺寸48.9m×17.6m，戶型面積緊湊，由于房間使用功能，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)凹凸不平，本建筑北側(cè)對稱軸處平面凹進(jìn)的尺寸，大于相應(yīng)投影方向總尺寸的30%，屬于平面布置不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，較普通建筑物薄弱[1]。

2 抗震設(shè)計分析

本單體主體結(jié)構(gòu)采用pkpm2010v2.2版本進(jìn)行整體計算，除了按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》要求的抗震措施，例如：以上的設(shè)計數(shù)據(jù)，地震力的計算，截面抗震驗算，抗震變形驗算，各構(gòu)件的計算要點等等。還有規(guī)范要求的剪力墻基本抗震構(gòu)造措施，例如：墻梁板的截面大小，配筋率，鋼筋間距，邊緣構(gòu)件的軸壓比，混凝土標(biāo)號等等。實際計算時嚴(yán)格按照規(guī)范要求的各抗震措施，并依據(jù)上海市超限高層建筑抗震設(shè)防管理實施細(xì)則，確保結(jié)構(gòu)平面布置及計算不超限[2]。

在施工圖設(shè)計中，還要綜合考慮整個建筑的穩(wěn)定性，牢固性等特點，依據(jù)計算結(jié)果判明其應(yīng)力集中，變形集中或地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)等導(dǎo)致的易損薄弱部位，在薄弱部位采取合理的抗震加強措施，例如：

（1）本建筑北側(cè)對稱軸處平面凹進(jìn)的尺寸，大于相應(yīng)投影方向總尺寸的30%，屬于超限結(jié)構(gòu)，考慮此處為結(jié)構(gòu)的薄弱位置，中間樓板形成細(xì)腰，容易斷裂。需要在此處采取抗震措施，增設(shè)2m寬的抗震拉板，使結(jié)構(gòu)能有效傳遞水平力，在抗震設(shè)計加強的前提下，抗震構(gòu)造更加要加強。

（2）本建筑南側(cè)（圖1）陽臺附近有小凹口，此處水平力傳遞受阻，我們在不影響建筑使用功能的前提下，把梁拉通，使X方向水平力得到有效傳遞，對整體結(jié)構(gòu)受力有利，考慮此處為結(jié)構(gòu)的薄弱位置，不僅抗震設(shè)計加強，抗震構(gòu)造更加要加強[3]。

圖1 抗震措施加強部位二

（3）根據(jù)pkpm計算的結(jié)果，每一層的側(cè)向剛度均大于其相鄰上一層的70%，或大于其上相鄰三個樓層側(cè)向剛度平均值的80%，依據(jù)抗震規(guī)范，可以判定為本建筑的豎向布置規(guī)則，不需要再另外加強抗震措施。

（4）扭轉(zhuǎn)周期比。C8-4#樓 satewe計算周期信息見表1。

表1 satewe計算周期信息

地震作用最大的方向 =0.063(度)

有效質(zhì)量系數(shù)X向94.97%，Y向95.15%。振型數(shù)量滿足要求。

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010條文說明3.4.1表1中列舉特別不規(guī)則項目第2條，扭轉(zhuǎn)周期比的限值0.9，本建筑由satewe計算周期信息中，扭轉(zhuǎn)周期比1.3340/1.5173=0.88，滿足建筑抗震設(shè)計規(guī)范強制性條文要求[4]。

（5）結(jié)構(gòu)層間位移角及層間位移比（satewe位移輸出），層間位移角見表2。

表2 層間位移角

層間位移角均滿足規(guī)范要求。

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010表5.5.1彈性層間位移角限制中規(guī)定，鋼筋混凝土抗震墻、筒中筒結(jié)構(gòu)的位移角限制為1/1000。

（6）結(jié)構(gòu)層間最大位移比（地震作用考慮偶然偏心作用）見表3。

表3 層間最大位移比

層間位移比均滿足規(guī)范要求。

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010第3.4.4條第1條，平面不規(guī)則二豎向規(guī)則的建筑，應(yīng)采用空間結(jié)構(gòu)計算模型，并應(yīng)符合下列要求：扭轉(zhuǎn)不規(guī)則時，應(yīng)計入扭轉(zhuǎn)影響，且樓層豎向構(gòu)件最大的彈性水平位移和層間位移分別不宜大于樓層兩端彈性水平位移和層間位移平均值的1.5倍。本結(jié)構(gòu)的層間位移比均滿足抗震規(guī)范要求[5]。

3 抗震措施

在抗震設(shè)計計算時，遇到很多不滿足抗震規(guī)范的問題，如連梁超筋，墻柱軸壓比及配筋超限。經(jīng)過一次次的調(diào)試驗算這些問題逐一解決。但是有幾點問題，需要引起重視。

3.1 連梁

在PKPM設(shè)計軟件中，程序自動檢查跨高比小于5的梁，然后自動定義為連梁，而《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010條文說明7.1.3解釋兩端與剪力墻在平面內(nèi)相連的梁為連梁。所以我們需要對模型中連梁按層進(jìn)行特殊構(gòu)件補充修改，確保連梁沒有遺漏。

由于連梁兩端墻肢的不均勻壓縮，會引起連梁兩端的豎向位移差，這也將在連梁內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)力。我們在設(shè)計時，會采取降低連梁內(nèi)力的各種措施，如：增大剪力墻的洞口寬度；在連梁中部開水平縫；在計算內(nèi)力和配筋時對連梁剛度進(jìn)行折減；對局部內(nèi)力過大層的連梁進(jìn)行調(diào)整等[6]。

因此，在實際的工程中要使連梁設(shè)計滿足強剪弱彎的原則就必須考慮以下幾個方面：

（1）關(guān)于連梁剛度的折減

連梁由于跨高比小，與之相連的墻肢剛度大等原因，在水平力作用下的內(nèi)力往往很大，連梁屈服時表現(xiàn)為梁端出現(xiàn)裂縫，剛度減弱，內(nèi)力重分布。因此在開始進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計算時，就需對連梁剛度進(jìn)行折減?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010的5.2.1條文說明指出對于重力荷載、風(fēng)荷載作用效應(yīng)計算不宜考慮連梁剛度折減；對有地震作用效應(yīng)組合工況，均可考慮連梁剛度折減?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》GB50011-2010的6.2.13條文說明2指出計算位移時，連梁剛度可不折減[7]。

（2）增加連梁跨度、減小連梁高度

在連梁設(shè)計中，剛度折減后，仍可能發(fā)生連梁正截面受彎承載力或斜截面受剪承載力不夠的情況，這時可以增加洞口的寬度，以減少連梁剛度。減少了結(jié)構(gòu)的整體剛度，也就減少了地震作用的影響，使連梁的承載力有可能不超限。

3.2 提高混凝土強度等級

混凝土強度等級提高以后，結(jié)構(gòu)的地震作用影響增加的比例遠(yuǎn)小于混凝土受剪承載力提高的比例，有可能使連梁的受剪承載力不超限[8]。

3.3 地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位

地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位時，要滿足抗震規(guī)范的一些相關(guān)要求：①結(jié)構(gòu)地上一層的側(cè)向剛度，不宜大于相關(guān)范圍地下一層側(cè)向剛度的0.5倍。②地下一層柱截面每側(cè)縱向鋼筋不應(yīng)小于地上一層柱對應(yīng)縱向鋼筋的1.1倍。③頂板采用現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu)，板厚不宜小于180mm?；炷翉姸鹊燃壊灰诵∮贑30，應(yīng)采用雙層雙向配筋，且每層每個方向的配筋率不宜小于0.25%。

4 結(jié)束語

通過工程項目實例，在類似的高層住宅建筑抗震設(shè)計計算時，從結(jié)構(gòu)選型，平面抗側(cè)力構(gòu)件布置，再到運用軟件電算，得到以下結(jié)論：

（1）根據(jù)結(jié)構(gòu)布置，在結(jié)構(gòu)平面凹進(jìn)處增加2m拉板，避免形成細(xì)腰結(jié)構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)平面凹進(jìn)的尺寸，小于相應(yīng)投影方向總尺寸的30%，滿足抗震規(guī)范的要求。

（2）通過調(diào)整連梁，墻柱軸壓比，提高混凝土強度等級，合理選取上部結(jié)構(gòu)嵌固端等抗震措施，來滿足抗震規(guī)范的要求。