試論某高層(錯層剪力墻結(jié)構(gòu))住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計

沈健

江蘇筑原建筑設(shè)計有限公司　江蘇常州213002

    近年來，單元內(nèi)部有豎向變化的復式、錯層住宅在住宅設(shè)計中得到越來越多的應(yīng)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(jié)構(gòu)做了模型振動臺試驗。試驗結(jié)果表明，錯層結(jié)構(gòu)由于堅向剛度不規(guī)則，對抗震不利。平面規(guī)則的錯層剪力墻結(jié)構(gòu)，錯層對抗震性能的影響不十分嚴重，平面布置不規(guī)則，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)顯著的錯層剪力墻結(jié)構(gòu)破壞嚴重。因此，《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ3—2002)}(以后簡稱《高規(guī)》)上對于錯層剪力墻結(jié)構(gòu)比一般剪力墻結(jié)構(gòu)要求更嚴。如果結(jié)構(gòu)布置合理，并加以限制，從概念上進行抗震性能優(yōu)化設(shè)計，從嚴采取可靠抗震措施時，高層錯層剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能完全可以滿足規(guī)范的有關(guān)規(guī)定。

    2006年。我公司在地震基本烈度為7度，江蘇省常州市設(shè)計了l棟22層的高層錯層結(jié)構(gòu)住宅，現(xiàn)將該工程結(jié)構(gòu)設(shè)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(qū)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(shè)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(jié)構(gòu)體系采用剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的安全等級為2級，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.109．設(shè)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(chǔ)

    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(nèi)土層分布均勻，自上而下分別為雜填土、粉質(zhì)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(chǔ)形式。樁選用直徑為400mm、500mm的預應(yīng)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(zhì)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(zhì)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(jié)構(gòu)設(shè)計

    3.1結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。為了減少豎向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的不規(guī)則程度，與建筑專業(yè)充分協(xié)調(diào)，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(jié)構(gòu)的平面布置也是基本對稱的，是規(guī)則的。這樣就避免了引起較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，從概念上講對抗震有利。另外本結(jié)構(gòu)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(cè)力結(jié)構(gòu)間的聯(lián)系，為此應(yīng)加強這些平層，使其更好的傳遞地震力，協(xié)調(diào)非錯層豎向構(gòu)件以及錯層構(gòu)件的差異變形。設(shè)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(shè)置。同時按每3層一個大結(jié)構(gòu)層的概念進行結(jié)構(gòu)整體抗震設(shè)計：將有利于確保結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。

    3.2結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計軟件(高層版))SATWE進行結(jié)構(gòu)整體分析。另根據(jù)《高規(guī)》第51.13.1條的規(guī)定，由于本工程是錯層剪力墻結(jié)構(gòu)，應(yīng)屬于第l0章規(guī)定的復雜高層建筑結(jié)構(gòu)。因此應(yīng)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(nèi)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(nèi)力分析。

    根據(jù)《高規(guī)》之規(guī)定，錯開的樓層應(yīng)各自參加結(jié)構(gòu)整體計算，故結(jié)構(gòu)建模時按每個錯開樓層進行建模，共計10個標準層，總的結(jié)構(gòu)層數(shù)為47層。在確定計算參數(shù)時，結(jié)構(gòu)體系采用復雜高層結(jié)構(gòu)，考慮平扭藕連計算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，并考慮偶然偏心。根據(jù)《高規(guī)》第4.8.2條的規(guī)定，設(shè)防烈度為7度．房屋高度不大于80m的一般剪力墻結(jié)構(gòu)，其剪力墻抗震等級應(yīng)為3級。但由于本工程有錯層存在，根據(jù)《高規(guī)》第104.5條的規(guī)定，錯層平面外的剪力墻抗震等級應(yīng)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(jié)構(gòu)的整體可靠性，計算時將整個結(jié)構(gòu)的抗震等級均提高l級，定為2級。抗震構(gòu)造措施仍按實際情況執(zhí)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(jù)《高規(guī)》第5.1.13.3條的規(guī)定，本工程還應(yīng)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(jié)構(gòu)計算結(jié)果的分析與判斷

    由于本工程是錯層剪力墻結(jié)構(gòu)，在建模時應(yīng)按實際情況每層均按標準層輸人。因此，該結(jié)構(gòu)與常規(guī)意義上的普通結(jié)構(gòu)相比復雜得多，許多有關(guān)層的概念計算指標和參數(shù)均已失去通常意義，這就要求設(shè)計師充分運用抗震概念設(shè)計方法，分析其關(guān)鍵及薄弱部位，采取相應(yīng)的加強措施。為此，我們結(jié)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(fā)者的意見和建議，對《高規(guī)》上要求的一些計算參數(shù)指標及結(jié)果作以下分析。

    (1)周期比的問題：

    周期比反映的是整體結(jié)構(gòu)的抗扭能力，是反映結(jié)構(gòu)整體抗扭性能的一個宏觀指標。根據(jù)《高規(guī)》第4.3.5條的要求，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)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(yīng)大于0.9。我們向建科院PKPM工程部SATWE軟件開發(fā)工程師咨詢過，對于錯層剪力墻結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)中的局部振動。這也與《高規(guī)》的要求是一致的。

    (2)位移比的問題

    位移比反映的是結(jié)構(gòu)的平面布置規(guī)則性，其目的是限制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，避免產(chǎn)生過大的偏心而導致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。根據(jù)《高規(guī)》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(gòu)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(yīng)大于該樓層平均值的1.5倍。但由于本工程為錯層結(jié)構(gòu)，輸出的計算結(jié)果是每個結(jié)構(gòu)層的位移比，也包括錯層部位，這種結(jié)果是失真的。經(jīng)與建科院老師的溝通，一致認為錯層結(jié)構(gòu)中的位移比及層間位移角應(yīng)按實際層考慮，即某一豎向構(gòu)件以有水平構(gòu)件(有樓板相連)為準設(shè)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(chǔ)上計算位移比及層間位移角。最大位移往往發(fā)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(jù)《高規(guī)》第4.4.2條規(guī)定，抗震設(shè)計的高層建筑結(jié)構(gòu)．其樓層側(cè)向剛度不宜小于相鄰上部樓層側(cè)向剛度的70％或其上相鄰3層側(cè)向剛度平均值的80％。這就要求，首先應(yīng)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(yīng)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(jié)果數(shù)據(jù)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(jié)果仍是一個近似結(jié)果，我們還要結(jié)合其水平力作用下的平均側(cè)移簡圖以及空間變形圈直觀地看一下，本結(jié)構(gòu)是否有明顯的變形拐點或差異點，以此來判斷該結(jié)構(gòu)的豎向規(guī)則性。經(jīng)計算結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)豎向是規(guī)則的，是滿足規(guī)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(jié)果誤差有多大。經(jīng)計算結(jié)果表明，兩種模型的計算結(jié)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(nèi)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(jīng)分析計算，其計算結(jié)果與真實模型的SATWE計算結(jié)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(jié)果是可信的。

    (5)剪重比的問題

    剪重比反映的是結(jié)構(gòu)的整體動力特性。如果結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的周期相差不大，證明他的剛度不柔，是在合理范圍之內(nèi)的，且經(jīng)計算的底部剪力與其它同樣類型的剪力墻結(jié)構(gòu)的計算的底部剪力在同一數(shù)量級，也在合理范圍之內(nèi)。

    3.4結(jié)構(gòu)主要計算結(jié)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(nèi)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(jīng)計算結(jié)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(jié)果表明兩種模型的自振特性，地震作用下的位移和內(nèi)力反應(yīng)比較接近，均能滿足規(guī)范要求，且未有異常現(xiàn)象出現(xiàn)，說明計算結(jié)果是可以作為設(shè)計依據(jù)的。

    (3)本工程按《高規(guī)》的有關(guān)規(guī)定，應(yīng)進行SATWE彈性時程分析，按建筑場地類別和設(shè)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(jīng)計算每條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力均小于振型分解反應(yīng)譜法(CQC法)求得的底部剪力的65％。時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不小于法求得的底部剪力的80％。分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)最大位移及最大層問位移均小于CQC法，故按CQC法計算結(jié)果取用。

    3.5抗震構(gòu)造措施

    (1)每3層拉通的樓板應(yīng)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(cè)力構(gòu)件之間的聯(lián)系，并按每3層一個大結(jié)構(gòu)層的概念進行結(jié)構(gòu)整體抗震構(gòu)造設(shè)計，從而提高結(jié)構(gòu)整體抗震性能。

    (2)錯層處剪力墻抗震等級按2級采用，設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，平面外受力的剪力墻厚度均為250mm，并設(shè)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(jié)構(gòu)的樓板受力較復雜，且易產(chǎn)生應(yīng)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(zhuǎn)角窗部位兩側(cè)墻肢在構(gòu)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(shè)置，配筋率不小于0.3％，該部位的粱設(shè)計成平面折線型連粱，上下縱筋均加強。并增設(shè)抗扭箍筋和縱筋，以增強其抗扭能力。

4、結(jié)束語

    (1)錯層剪力墻結(jié)構(gòu)屬于復雜高層，豎向抗側(cè)力構(gòu)件受力復雜。樓板受到較大削弱，抗震性能較差，故抗震設(shè)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(guī)則的結(jié)構(gòu)體系，以減少扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

    (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(cè)力結(jié)構(gòu)間的聯(lián)系，并接每3層為一大結(jié)構(gòu)層的概念進行結(jié)構(gòu)整體抗震設(shè)計，將有利于提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。

    (3)在結(jié)構(gòu)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(jié)果滿足規(guī)范是必要的，但對于這種復雜高層的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計更應(yīng)注重于概念設(shè)計，從概念上加強該加強的部位，以增強結(jié)構(gòu)的安全儲備，從而提高整體抗震性能。

參考文獻

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【4】李國勝，多高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中疑難問題的處理及算例【M】．中國建筑工業(yè)出版社，2004．

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