試論某高層(錯層剪力墻結構)住宅結構設計

沈健

江蘇筑原建筑設計有限公司　江蘇常州213002

    近年來，單元內部有豎向變化的復式、錯層住宅在住宅設計中得到越來越多的應用。

    早在2002年，中國建筑科學研究院抗震所等單位就對錯層剪力墻結構做了模型振動臺試驗。試驗結果表明，錯層結構由于堅向剛度不規則，對抗震不利。平面規則的錯層剪力墻結構，錯層對抗震性能的影響不十分嚴重，平面布置不規則，扭轉效應顯著的錯層剪力墻結構破壞嚴重。因此，《高層建筑混凝土結構技術規程(JGJ3—2002)}(以后簡稱《高規》)上對于錯層剪力墻結構比一般剪力墻結構要求更嚴。如果結構布置合理，并加以限制，從概念上進行抗震性能優化設計，從嚴采取可靠抗震措施時，高層錯層剪力墻結構的抗震性能完全可以滿足規范的有關規定。

    2006年。我公司在地震基本烈度為7度，江蘇省常州市設計了l棟22層的高層錯層結構住宅，現將該工程結構設計介紹如下：

1、工程概況

    本工程為常州御城花園高檔住宅小區l0#房。地下l層，地上22層，建筑總長度為70m．總寬度為17.9m，建筑總高度為79.65m，非錯層部位層高3.6m，錯層部位將2個3.6m設計成3層，層高分別為2.5m，2.19m．2.51m。每隔2層樓板是拉通的。結構體系采用剪力墻結構，結構的安全等級為2級，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.109．設計地震分組為第1組．建筑物場地類別為3類場地。

2、地基基礎

    本建筑場地屬中軟土場地，場地覆蓋層厚度大于50m，因此場地土類別為3類。土層主要為第4記沖積相沉積土層，場地內土層分布均勻，自上而下分別為雜填土、粉質粘土、粉土、粘土等。

    本工程采用墻、柱下獨立承臺加防水板的基礎形式。樁選用直徑為400mm、500mm的預應力混凝土管樁。靜載試驗,：1400mm的管樁單樁承載力特征值為l 500kN，根．樁端持力層為⑨號粉質粘土或⑩號粉土中，樁長24m，不用樁尖。中500mm的管樁單樁承載力特征值為2000kN/根，樁端持力層為⑨號粉質粘土或①號粉土中，樁長24m，不用樁尖。獨立承臺高度為1.5m，防水板厚為0.35m，防水板下土不作夯實處理。

3、上部結構設計

    3.1結構選型

    由于建筑使用功能的需要，每隔一個平層就有兩層是錯豎層，屬錯層結構。為了減少豎向抗側力結構的不規則程度，與建筑專業充分協調，避免采用受力復雜的錯洞剪力墻。由于建筑平面是對稱的，因此結構的平面布置也是基本對稱的，是規則的。這樣就避免了引起較大的扭轉效應，從概念上講對抗震有利。另外本結構每3層(錯層)有一平層，樓板是相連通的，這些平層加強了各豎向抗側力結構間的聯系，為此應加強這些平層，使其更好的傳遞地震力，協調非錯層豎向構件以及錯層構件的差異變形。設計時，將這些平層的板厚定為120mm，每個方向單層鋼筋的配筋率不少于0.25％，并雙向雙層設置。同時按每3層一個大結構層的概念進行結構整體抗震設計：將有利于確保結構的整體抗震性能。

    3.2結構計算軟件

    本工程采用中國建筑科學研究院編制的《多層及高層建筑結構空間有限元分析與設計軟件(高層版))SATWE進行結構整體分析。另根據《高規》第51.13.1條的規定，由于本工程是錯層剪力墻結構，應屬于第l0章規定的復雜高層建筑結構。因此應采用至少兩個不同力學模型的三維空間分析軟件進行整體內力分析計算，所以該工程又用了韓國的有限元分析軟件MIDAS進行整體內力分析。

    根據《高規》之規定，錯開的樓層應各自參加結構整體計算，故結構建模時按每個錯開樓層進行建模，共計10個標準層，總的結構層數為47層。在確定計算參數時，結構體系采用復雜高層結構，考慮平扭藕連計算結構的扭轉效應，并考慮偶然偏心。根據《高規》第4.8.2條的規定，設防烈度為7度．房屋高度不大于80m的一般剪力墻結構，其剪力墻抗震等級應為3級。但由于本工程有錯層存在，根據《高規》第104.5條的規定，錯層平面外的剪力墻抗震等級應提高1級。考慮到該建筑物高度接近2級與3級的分界線80m，為提高結構的整體可靠性，計算時將整個結構的抗震等級均提高l級，定為2級。抗震構造措施仍按實際情況執行。計算時，采用“總剮分析法”進行地震作用分析，層剛度比采用地震剪力與地震層間位移之比。此外，根據《高規》第5.1.13.3條的規定，本工程還應采用SATWE彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算。

    3.3結構計算結果的分析與判斷

    由于本工程是錯層剪力墻結構，在建模時應按實際情況每層均按標準層輸人。因此，該結構與常規意義上的普通結構相比復雜得多，許多有關層的概念計算指標和參數均已失去通常意義，這就要求設計師充分運用抗震概念設計方法，分析其關鍵及薄弱部位，采取相應的加強措施。為此，我們結合概念并充分吸收中國建筑科學研究院PKPM工程部程序開發者的意見和建議，對《高規》上要求的一些計算參數指標及結果作以下分析。

    (1)周期比的問題：

    周期比反映的是整體結構的抗扭能力，是反映結構整體抗扭性能的一個宏觀指標。根據《高規》第4.3.5條的要求，結構扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期n之比，A級高度高層建筑不應大于0.9。我們向建科院PKPM工程部SATWE軟件開發工程師咨詢過，對于錯層剪力墻結構，計算的周期比是準確的，但必須在強制剛性樓板假定下進行，這樣可以過濾掉錯層結構中的局部振動。這也與《高規》的要求是一致的。

    (2)位移比的問題

    位移比反映的是結構的平面布置規則性，其目的是限制結構的扭轉效應，避免產生過大的偏心而導致結構產生較大的扭轉效應。根據《高規》第4.3.5條的要求，在考慮偶然偏心影響的地震作用下，樓層豎向構件的最大水平位移和層間位移，A級高度高層建筑不宣大于該樓層平均值的1.2倍，不應大于該樓層平均值的1.5倍。但由于本工程為錯層結構，輸出的計算結果是每個結構層的位移比，也包括錯層部位，這種結果是失真的。經與建科院老師的溝通，一致認為錯層結構中的位移比及層間位移角應按實際層考慮，即某一豎向構件以有水平構件(有樓板相連)為準設為一實際層，計算時可選用位移詳細輸出，這樣每層每個點的位移均能輸出。通常取樓層的4個角點計算平均位移，并在此基礎上計算位移比及層間位移角。最大位移往往發生在建筑物的4角，這樣就可以取建筑物4角的實際層的位稱差來計算最大層問位移比和層間位移角，最大水平位移也可直接取建筑物4角的位移值。以此來計算最大水平位移比，從而解決位移比問題。

    (3)層剛度比的問題

    根據《高規》第4.4.2條規定，抗震設計的高層建筑結構．其樓層側向剛度不宜小于相鄰上部樓層側向剛度的70％或其上相鄰3層側向剛度平均值的80％。這就要求，首先應知道每層的層剛度值，但本工程由于錯層的存在，計算出的層剛度值也是失真的，需手工計算求出。同樣，也應按實際層考慮，計算方法可用地震剪力與層間位移的比求得，地震剪力可從程序計算結果數據中選用，層間位移可按上述第(2)條的方法求得，但即使按此方法計算出的結果仍是一個近似結果，我們還要結合其水平力作用下的平均側移簡圖以及空間變形圈直觀地看一下，本結構是否有明顯的變形拐點或差異點，以此來判斷該結構的豎向規則性。經計算結果表明，地震力作用下的水平樓層位移曲線呈彎曲型，并沒有明顯的拐點。整體變型曲線與一般剪力墻結構的變形曲線大致一樣，沒有明顯的變形突變。層剪力曲線也與一般剪力墻結構一樣，是逐層遞增，沒有明顯的剪力突變，曲線大致光滑。綜上所述，可以判斷該工程的結構豎向是規則的，是滿足規范要求的。

    (4)錯層處剪力墻墻上開洞的問題

    由于SATWE軟件不能進行空間建模，因此錯層處剪力墻墻上開洞無法處理，因此連粱只能按框粱輸人，由此會給計算帶來誤差，那接下來的問題就是這誤差到底有多少?且如何彌補這些誤差?為此建立了兩個模型。即近似地將錯層處合并為1層，不按錯層考慮。一個模型是將剪力墻上洞口按墻上開洞輸入，一個模型是按框粱輸人。目的是看過兩種模型的計算結果誤差有多大。經計算結果表明，兩種模型的計算結果比較接近，誤差較小。因此，實際建的錯層模型可以將連粱按框粱輸入，直接進行整體內力分析。另外，為了驗證這種方法的正確性，用MIDAS有限元分析軟件進行空間建模，錯層剪力墻洞可以按實際情況輸入，經分析計算，其計算結果與真實模型的SATWE計算結果基本接近，說明將連粱按框梁輸人的方法是可行的，計算出的結果是可信的。

    (5)剪重比的問題

    剪重比反映的是結構的整體動力特性。如果結構偏柔，那么剪重比就不容易滿足要求，由于本工程沒有“層”的概念，因此計算出來的剪重比就沒有意義，但從計算出來的周期可以判斷，第一振型周期不超過3s，與同樣類型的高層剪力墻結構的周期相差不大，證明他的剛度不柔，是在合理范圍之內的，且經計算的底部剪力與其它同樣類型的剪力墻結構的計算的底部剪力在同一數量級，也在合理范圍之內。

    3.4結構主要計算結果

    (1)由于SATWE對于墻上開洞不能跨層布置，因此建模時不能按墻上開洞輸入，只能輸粱，而且為了核對越層墻的內力分析的正確性，所以另建了兩個模型。其中之一為非錯層梁元模型，即跨高比小于5的按梁輸人；另一個為非錯層墻元模型，跨高比小于5的按墻上開洞輸入。還有即為實際錯層的真實模型。經計算結果對比，這3種模型的周期、周期比、基底剪力大致相同，最大層間位移角，錯層模型略大一些，最大位移比，最大層間位移比相差不大。

    (2)整體分析分別采用SATWE和MIDAS進行計算分析，結果表明兩種模型的自振特性，地震作用下的位移和內力反應比較接近，均能滿足規范要求，且未有異常現象出現，說明計算結果是可以作為設計依據的。

    (3)本工程按《高規》的有關規定，應進行SATWE彈性時程分析，按建筑場地類別和設計地震分組選用兩組實際強震記錄。THlTG045、TH2TG045兩個天然波以及一組人工模擬波RHlTG045的加速度時程曲線。加速度最大值取35 ends2。經計算每條時程曲線計算所得結構底部剪力均小于振型分解反應譜法(CQC法)求得的底部剪力的65％。時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值不小于法求得的底部剪力的80％。分析結果表明，結構最大位移及最大層問位移均小于CQC法，故按CQC法計算結果取用。

    3.5抗震構造措施

    (1)每3層拉通的樓板應加強。板厚取120mm，雙向雙層板配筋。每個方向單層鋼筋的配筋率不小于0.25％，其目的是為了增強各豎向抗側力構件之間的聯系，并按每3層一個大結構層的概念進行結構整體抗震構造設計，從而提高結構整體抗震性能。

    (2)錯層處剪力墻抗震等級按2級采用，設置約束邊緣構件，平面外受力的剪力墻厚度均為250mm，并設置與之垂直的墻肢，水平和豎向分布筋配筋率均不小于0.5％。   

    (3)考慮錯層結構的樓板受力較復雜，且易產生應力集中，因此本工程樓板適當加強，特別是錯層部位。板厚取110mm～130mm．采用雙向雙層配筋。錯層部位每個方向單層鋼筋的配筋率不小于0.25％。

    (4)轉角窗部位兩側墻肢在構造上加強1級，并嚴格控制軸壓比，該部位樓板厚取l40mm，配筋雙向雙層通長設置，配筋率不小于0.3％，該部位的粱設計成平面折線型連粱，上下縱筋均加強。并增設抗扭箍筋和縱筋，以增強其抗扭能力。

4、結束語

    (1)錯層剪力墻結構屬于復雜高層，豎向抗側力構件受力復雜。樓板受到較大削弱，抗震性能較差，故抗震設計時，高層建筑宜避免采用。當工程確需時，宜采用平面布置規則的結構體系，以減少扭轉效應。

    (2)每3層樓板連通為一平樓蓋的這一特點對抗震有利。因此，對上述平樓蓋加厚樓板，加強配筋，以加強各豎向抗側力結構間的聯系，并接每3層為一大結構層的概念進行結構整體抗震設計，將有利于提高結構的整體抗震性能。

    (3)在結構計算時，用不同力學模型的軟件分別計算，可以提高工程的安全度和可信度，并可以對一些工程中遇到問題的簡化方法的正確性進行論證。

    (4)計算結果滿足規范是必要的，但對于這種復雜高層的結構抗震設計更應注重于概念設計，從概念上加強該加強的部位，以增強結構的安全儲備，從而提高整體抗震性能。

參考文獻

【1】中國建筑科學研究院．GB50011-2001建筑抗震設計規范【S】．北京：中國建筑工業出版社，2001．

【2】JGJ3—2002高層建筑混凝土結構技術規程【S】．北京：中國建筑工業出版社，2001．

【3】徐培福，黃小坤，高層建筑混凝土結構技術規程理解與運用【X】．中國建筑工業出版社，2003

【4】李國勝，多高層鋼筋混凝土結構設計中疑難問題的處理及算例【M】．中國建筑工業出版社，2004．

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)