高烈度地區(qū)高層剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

李森宇（中交建筑集團有限公司，北京 100020）

建筑行業(yè)資源消耗量巨大，占用大量自然資源、土地資源、能源，并產(chǎn)生大量建筑垃圾，對環(huán)境影響非常大。隨著綠色建筑發(fā)展，各地對裝配式建筑提出新的要求，高層結(jié)構(gòu)設(shè)計也要緊跟建筑行業(yè)發(fā)展，將新的裝配式建筑納入傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算中[1]。為了找到高烈度區(qū)較優(yōu)的結(jié)構(gòu)解決方案，提高經(jīng)濟效益。本文通過深入研究在高烈度地區(qū)實際項目中存在的問題，通過合理的結(jié)構(gòu)方案比選，結(jié)構(gòu)計算軟件參數(shù)的合理選擇，尋求高烈度地區(qū)結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟性平衡點[2]。地產(chǎn)行業(yè)已告別粗放型發(fā)展的時代，對于項目的成本控制和精益化設(shè)計將成為下一步發(fā)展的重點[3]。

1 工程概況

?？谑心掣邔幼≌椖?，占地面積994.62m2，總建筑面積23686.38m2，建筑高度76.8m，剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)使用年限50年，抗震設(shè)防烈度8 度（0.3g），存在近場效應(yīng)，項目場地類別Ⅱ類，設(shè)計地震分組第二組，地上25層，地下1 層，樁基礎(chǔ)，勘察等級為乙級，嵌固端部位在基礎(chǔ)頂。地基土②層粉砂在8 度地震作用下會發(fā)生中等液化，建筑場地屬于對建筑抗震不利地段，消除液化的影響后，可進行本工程的建設(shè)。

2 結(jié)構(gòu)方案布置

2.1 場地類別

項目場地類別Ⅱ類，地勘報告中建議按插值方法確定地震作用計算所用的特征周期，高烈度地區(qū)場地類別的判別對結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，對經(jīng)濟性影響很大，一般應(yīng)根據(jù)勘察報告確定。本項目按照查表結(jié)果特征周期為0.4，按照差值法特征周期為0.46，后者較前者地震作用效應(yīng)值增大12%。

2.2 基礎(chǔ)布置

本項目采用樁筏基礎(chǔ)，筏板采用等厚1200mm厚度筏板，樁基采用預(yù)應(yīng)力高強混凝土管樁，樁型為HPC 500AB125。

對于樁的選型，需因地制宜，既要對場地土質(zhì)進行深入分析找到經(jīng)濟合理的布樁方案，也要兼顧地方的使用習慣。樁基規(guī)范規(guī)定，8 度及以上區(qū)域，不宜采用PC和PS樁，很多從業(yè)人員誤以為所有預(yù)應(yīng)力混凝土管樁和方樁都不能利用，其實，PHC和PHS并不在此列。

2.3 上部結(jié)構(gòu)布置

本案例位于海口市，八度半地區(qū)并伴隨近場效應(yīng)，上部結(jié)構(gòu)中外墻采用全鋁?，F(xiàn)澆工藝，內(nèi)部剪力墻采用了EMC 方案，根據(jù)《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ1-2014）[4]，預(yù)制和現(xiàn)澆墻體處于同一層時，現(xiàn)澆部分的地震作用下M和V宜乘以不小于1.1的增大系數(shù)。在進場效應(yīng)放大系數(shù)和1.1增大系數(shù)雙重作用下，采取避開底部加強區(qū)，只在非底部加強區(qū)采用EMC 裝配式剪力墻。此做法可保證受力最大部位不再進行雙重放大。

圖1方案中設(shè)置有個別柱子，此時結(jié)構(gòu)體系還是剪力墻體系，柱子的抗震等級可按照框架剪力墻結(jié)構(gòu)來判別。

圖1 方案布置圖

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

3.1 基礎(chǔ)優(yōu)化

基礎(chǔ)設(shè)計中控制造價重點在筏板厚度、筏板配筋率選取、樁承載力系數(shù)大小、是否采用樁土共同作用[5]、是否對樁進行破壞性試驗。

樁基選型不僅要從技術(shù)上考慮，還要從地方規(guī)定和地區(qū)常用做法上衡量。沿海一帶因為適宜性和經(jīng)濟性比較廣泛采用預(yù)應(yīng)力管樁，而比如某些8 度區(qū)，地方規(guī)定禁止采用預(yù)應(yīng)力管樁。

應(yīng)明確單樁極限承載力的選擇是采用試驗樁還是估算值，有一定規(guī)模的工程，應(yīng)提前進行破壞性試驗[6]。高烈度區(qū)樁的布置，單樁極限承載力決定著最終的樁數(shù)，對基礎(chǔ)經(jīng)濟性起著至關(guān)重要的作用，可通過計算和做破壞性試驗摸清樁的力學(xué)性能。很多工作人員對于做試驗樁并做破壞性的重要性認識不足，試驗樁最大加載量可取特征值三倍，如果僅僅加載到兩倍，起不到任何優(yōu)化作用。在實際項目操作中所有主樓的樁型、樁長和承載力取最不利勘探孔數(shù)值，這樣會造成極大浪費。應(yīng)以單體建筑為單位，可取不同樁長、樁徑，根據(jù)地勘提供的地質(zhì)剖面圖劃分出差異，如果單體建筑樁數(shù)超過100根，則優(yōu)先考慮不同樁型。地質(zhì)條件是動態(tài)變化的，即使相同的樁徑和樁長，單樁承載力也可能不同，不應(yīng)取最不利孔位的參數(shù)。對于面積較大的地庫，地質(zhì)條件變化更大，更應(yīng)該通過樁型、單樁承載力的變化來降低基礎(chǔ)成本。

布樁方案存在精細化和經(jīng)濟型布置方法，從經(jīng)濟性出發(fā)，盡量不要全面布樁，而采用局部布樁。盡量不要滿堂布樁均勻布樁，而應(yīng)該將樁集中在墻下面，這樣既對沖切驗算有利，也不會造成異常大的配筋。

筏形基礎(chǔ)具有整體剛度大、施工便利、可抵抗不均勻沉降的特點，缺點是材料用量相較樁承臺用料較多且二次傳力受力復(fù)雜。整體式筏板基礎(chǔ)分為梁板式和平板式，梁板式相較于平板式配筋形式更復(fù)雜，多了箍筋和腰筋，平板式配筋則主要取決于板的厚度，按照構(gòu)造配筋率拉通并在不足之處附加。所以平板式相較梁板式在施工上和經(jīng)濟性上更有優(yōu)勢。

3.2 上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

高烈度地區(qū)高層結(jié)構(gòu)優(yōu)化，首先應(yīng)對荷載進行梳理，避免荷載計算不準確，造成結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量不準確。應(yīng)對模型中結(jié)構(gòu)總質(zhì)量進行初步判斷，根據(jù)規(guī)范剪力墻結(jié)構(gòu)的大體質(zhì)量在13kN/m2～16kN/m2每層，如果手算和機算總質(zhì)量出現(xiàn)較大差異,需對模型進行重新梳理。

周期折減系數(shù)的取值反映隔墻對整體剛度的貢獻[7]，高烈度地區(qū)隔墻較少，可適當提高周期折減系數(shù)，減小地震力。計算模型中需勾選梁墻自重扣除與柱重疊部分，減小重力荷載代表值。墻梁跨中節(jié)點作為剛性樓板從節(jié)點是否勾選，對位移角和連梁配筋影響非常大，位移指標版本和配筋版本可分別進行嘗試計算。

規(guī)范中規(guī)定質(zhì)量和剛度明顯不對稱的結(jié)構(gòu)，應(yīng)該計入雙向地震[8]，所以是否考慮雙向地震的落腳點放在了判定質(zhì)量和剛度明顯不對稱的結(jié)構(gòu)。建議參考《技術(shù)措施》2009給出的建議，在不考慮偶然偏心影響下位移比大于或等于1.3，則考慮雙向地震。

結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)盡量避免扭轉(zhuǎn)，將剛心和質(zhì)心盡量貼近。通過模型調(diào)整，第一平動和第二平動周期中，扭轉(zhuǎn)份額占比較小，第三扭轉(zhuǎn)周期中，平動周期占比較小，見表1。

表1 周期信息（強剛模型）

在模型計算中，往往由于建筑圖的不規(guī)則造成第一二平動周期占比過大，這時需參照振型圖，找到剛度較弱的部位，進行截面調(diào)整，重新進行試算。

下面采用不同的周期折減系數(shù)，對大指標進行分析，見表2和表3。

表2 最大層間位移角

表3 墻梁跨中節(jié)點作為剛性樓板從節(jié)點

3.3 連梁超限處理方法

在剪力墻結(jié)構(gòu)中，連梁剛度相對于剪力墻來說，其剛度是非常小的，但在烈度較高的情況下，連梁會分配較大的彎矩和剪力，造成配筋困難，所以允許連梁適當開裂，由剪力墻來承擔彎矩和剪力。

規(guī)范條文中指出，在計算位移指標時，連梁剛度可以不折減，從概念設(shè)計上來說，控制位移比的目的是為了保證結(jié)構(gòu)有足夠的剛度。位移比屬于剛度要求，連梁周期折減系數(shù)則屬于構(gòu)件級別的參數(shù)，兩個參數(shù)應(yīng)協(xié)調(diào)統(tǒng)一，保證結(jié)構(gòu)的抗震水平。從抗震概念上講，連梁屬于第一道防線，應(yīng)先于剪力墻屈服，所以在進行位移角、剛度規(guī)則性和扭轉(zhuǎn)規(guī)則性判別時，連梁剛度不應(yīng)折減。

對于連梁剪壓比超限問題在七度或八度區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)，在八度區(qū)中更是一個不可繞過的話題。連梁對于剪切應(yīng)變十分敏感，在小跨高比情況下尤其突出，即使配上很多抗剪鋼筋，也不能滿足剪壓比要求，見圖2。

圖2 連梁剪壓比超限圖

計算時，首先應(yīng)對連梁剪壓比超限的數(shù)量情況進行判別，建議如果有30%的連梁超限，應(yīng)調(diào)整結(jié)構(gòu)布置方案，增加墻肢的剛度，并減小連梁截面。

規(guī)范中給出了幾個剪壓比超限的解決方法[9]，包括交叉斜筋、對角斜筋、對角暗撐，但要對其適用梁寬進行區(qū)分，交叉斜筋適用梁寬250mm，而對角斜筋和對角暗撐適用梁寬400mm。在常規(guī)高層住宅上部結(jié)構(gòu)中梁寬一般要與墻厚取等值，墻厚普遍在180mm、200mm、220mm或250mm，所以交叉斜筋適用范圍更廣。

但在實際施工當中交叉斜筋復(fù)雜的配筋方式并不利于現(xiàn)場施工。高烈度區(qū)連梁超限的根本原因是因為強連梁分配的水平地震力過大，所以適當降低梁高有利于減小梁的剛度，分配的水平地震力會相應(yīng)減小。將連梁剛度折減系數(shù)進行適當調(diào)整也是一個可行的辦法，但應(yīng)注意計算大指標時，應(yīng)將連梁剛度折減系數(shù)調(diào)為1。規(guī)范中建議八度區(qū)連梁剛度折減系數(shù)最小取為0.5。

連梁調(diào)幅一般有兩個方法，一是按照高規(guī)在內(nèi)力計算前對連梁進行調(diào)幅[10]；二是在內(nèi)力計算后，對連梁的彎矩和剪力乘以折減系數(shù)。但是應(yīng)注意，無論哪種方法，調(diào)幅后的M和V設(shè)計值不應(yīng)低于使用階段的值，不宜低于降一度情況下的M和V設(shè)計值，并不應(yīng)低于風荷載作用下的連梁彎矩，這樣做是為了保證連梁在較小作用下即產(chǎn)生了裂縫。

4 結(jié)語

通過對計算模型中周期折減系數(shù)、梁墻自重扣除與柱重疊部分、墻梁跨中節(jié)點作為剛性樓板從節(jié)點等幾個參數(shù)進行對比分析，找到了高烈度區(qū)位移角的主要影響規(guī)則，對結(jié)構(gòu)計算提供支持。

對基礎(chǔ)形式和影響參數(shù)進行分析，得出快速衡量樁基礎(chǔ)經(jīng)濟效益的方法。對筏板的方案選擇和配筋方法進行討論，分析了規(guī)模較大項目進行樁破壞性試驗的必要性，給出了可以實際應(yīng)用的壓樁力。并對樁型、樁長和承載力在不同地址條件下的差異性進行分析。

對連梁剪壓比超限的機理進行分析，分別圍繞周期折減系數(shù)、減小梁高、配置交叉斜筋三種方法進行討論，提出可實際應(yīng)用的參數(shù)，并對其適用范圍和注意事項進行討論。