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浅谈某住宅楼的结构设计与分析
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内容提示：随着经济建设的发展和人口数量的增加,住房建设用地日趋紧张,新建高层建筑越来越高。为满足抗震等条件的要求,新的结构形式也不断发展,其中剪力墙结构就广泛用于高层住宅。因此,对高层住宅剪力墙结构的力学性能进行研究具有重要的理论与实践意义。本文以某高层剪力墙住宅为例,从地基处理到剪力墙计算与构造,系统地介绍了高层结构的设计过程,进而对结构抗震设计做了分析探讨。同时,针对设计中遇到的具体问题提出了建议,对剪力墙结构的设计具有参考价值。
1 工程概况
某工程为一幢高层住宅建筑，总长 93.9m，总宽 18.9m，地下 1 层，地上 11 层，层高 2.9m，建筑高度为 34.760m，建筑面积18657 时。住宅标准层平面由四个相同的单元组合而成，平面布置图如图 1 所示。剪力墙结构，工程按Ⅶ度抗震烈度设防，地震基本加速度为 0.15g,剪力墙抗震等级为三级。湿陷性黄土地基。（参考《建筑中文网》）
2 地基与基础
根据该工程详勘报告，本工程由浅至深的土层分别为填土、黑垆土、黄土 1、古土壤 1、黄土 2、古土壤 2、中砂（见表 1）。根据剪切波速测试结果，拟建场地 20m 范围平均等效剪切波速为 262.06m/s，为中硬场地土，且场地覆盖层大于 5m，故建筑场地类别为 B 类。根据室内土工试验，地基土的自重湿陷系数、湿陷系数均大于 0.015，自重湿陷量计算值均大于 70mm，故拟建场地土属自重湿陷性黄土场地，地基湿陷等级为Ⅲ级。高层住宅属乙类建筑，重要性等级为二级。
表 1 地层土分布、湿陷性指标及承载力
建筑物总重 30×10'kN，基底平均压力标准值为 200kPa。天然地基不能作为持力层。地基处理采用灰土挤密桩方法，一方面消除桩间土的湿陷性，另一方面保证复合地基承载力特征值达到 200kPa 以上。根据《湿陷性黄土地区建筑规范》，乙类建筑地基处理深度不小于湿陷性土层厚度的 2/3，且剩余湿陷量不大于 150mm，故复合地基处理深度为 10m，处理宽度为超出筏板基础每边 5m。基础型式采用钢筋混凝土筏板基础，筏板厚500mm，筏板外挑以避免墙、地梁及筏板钢筋重叠造成施工困难。基础与挤密桩顶之间设置 600mm厚灰土垫层，保证基础受力均匀。
3 主体结构设计
3.1 变形缝设置
依据伸缩缝最大间距控制要求，钢筋混凝土剪力墙结构伸缩缝间距不大于 45m，故在本工程中部设置一道变形缝，缝宽100mm，同时满足抗震缝宽度要求。鉴于地下室变形缝对建筑防水的不利影响，故筏板基础及地下室不设变形缝，而是通过设置三道后浇带来满足结构需要。后浇带宽 800mm，由筏板、地下室外墙、地下室顶板贯通设置，后浇带处钢筋不断，待两个月后用强度等级高一级的不收缩混凝土浇注。
3.2 结构计算与分析
本工程抗震设防烈度为Ⅶ度，基本地震加速度为 0.15g，设计地震分组为第一组，特征周期为 Tg=0.45s。建筑场地类别为 n类。剪力墙抗震等级为三级。基本风压为 0.45kN/m2，基本雪压为 0.35kN/m2。采用中国建筑科学研究院编制的 PKPM 系列软件（2006 年 10 月版）的 SATWE 程序进行结构分析。
由于本工程平面凹凸不规则，故采用符合楼板平面内实际刚度变化的不规则结构计算模型，并且考虑偶然偏心和双向地震作用。施工荷载采用逐层加载方法。地震计算振型个数取 15，风荷载体型系数取 1.3。结构分析采用总刚分析法。计算结果见表 2、表 3、表 4。
表 2 抗震及抗风计算结果
表 3 周期
表 4 考虑偶然偏心的扭转位移比
由以上计算结果可以得出: 基底剪力系数即楼层剪重比大于 2.40%，满足规范对楼层最小剪重比的要求;结构扭转为主的第一自振周期 Tt 与平动为主的第一自振周期 T1 之比为 0.487远小于规范规定的最大限值 0.9，表明该结构扭转效应不明显;层间位移小于规范限值，保证结构的整体抗震性能;同时考虑偶然偏心的扭转位移比小于 1.2，表明该结构不属于扭转不规则结构。另外，从 JCCAD 程序中可以得出该结构质心与刚度中心的偏心距比值为 0.08，符合规范要求，表明本工程结构选型合理，不偏心。
3.3 抗震措施与构造
我国的结构抗震设计方案采用的是较低地震力-较高延性方案: 采用明显小于设防烈度的小震地面运动加速度来确定结构的设计地震作用，并通过与其他荷载内力进行组合，来完成结构的截面设计。在地震反应过程中，主要通过钢筋混凝土结构屈服后形成的延性耗能机构，达到抗震设防的目标。
在设计过程中，主要通过内力调整和构造措施，确保钢筋混凝土结构在低设计地震力的情况下具有足够的延性。
（1）设计中，进行了以下几方面的内力调整:结构自振周期折减，折减系数为 0.95;梁端负弯矩折减，取折减系数为 0.55;连梁刚度折减，折减系数为 0.6;梁扭矩折减，折减系数为 0.4;对于跨高比大于 2.5 的连梁，梁端剪力设计值应考虑梁端计算弯矩的影响进调整，增大系数为 1.1;底部加强部位剪力墙的剪力设计值增大，增大系数为 1.2。
（2）设计中，采取了以下几方面的构造措施:在剪力墙中设置构造边缘构件;墙体分布筋最小配筋率不小于 0.25%;1400mm高连梁腰筋截面直径不小于 10mm; 跨高比小于 2 的连梁配置斜向交叉钢筋。
以上构造措施主要用来加强各类构件的抗剪能力，使其不致于在强烈地震作用下，结构延性未发挥出来之前出现非延性的剪切破坏。进而保证达到规范要求的“强剪弱弯”能力。
（3）在抗震结构中，楼板不但承受竖向荷载，而且对传导水平力，协同各抗侧力构件工作起着非常重要的作用，故我们一方面应该尽量减小板厚，降低结构荷载，同时，也必须保证楼板足够的刚度进而保证结构抗震的整体性。综合考虑，本工程标准层板厚取 120mm。本工程中，平面细腰部凹进尺寸大于相应边长的 30%，细腰部分楼板刚度有较大削弱，应采取构造措施加强:细腰部楼板加厚为 150mm;细腰部楼板双层双向配筋;细腰部墙体构造加强。屋面楼板考虑温度作用采用双层双向配筋。
4 结 语
通过对上述工程实例的介绍与分析，掌握了高层剪力墙的一般设计方法，并从中获得几点体会:
（1）结构选型，特别是结构缝的设置应加以重视，即要满足规范、规程的要求，但同时也要兼顾工程实际中遇到的问题，灵活处置。
（2）我国采用较低地震力-较高延性方案，必须确保结构具有足够的延性。所以抗震设计不仅仅是程序计算，在保证结构延性的方面，构造措施显得尤为重要。
（3）结构设计中，对不规则部位，特别是结构的薄弱部位，应通过计算、分析进行准确判定，并加以可靠的加强措施。
参考文献：
[1]GB50010-2002,混凝土结构设计规范[S].
[2]GB50011-001，建筑抗震设计规范[S].
[3]GJ3-2002，高层建筑混凝土结构技术规程[S].
（作者单位：湖南省常德市规划建筑设计院有限责任公司） 来源: 《建筑中文网》.
某工程为一幢高层住宅建筑，总长 93.9m，总宽 18.9m，地下 1 层，地上 11 层，层高 2.9m，建筑高度为 34.760m，建筑面积18657 时。住宅标准层平面由四个相同的单元组合而成，平面布置图如图 1 所示。剪力墙结构，工程按Ⅶ度抗震烈度设防，地震基本加速度为 0.15g,剪力墙抗震等级为三级。湿陷性黄土地基。（参考《建筑中文网》）
2 地基与基础
根据该工程详勘报告，本工程由浅至深的土层分别为填土、黑垆土、黄土 1、古土壤 1、黄土 2、古土壤 2、中砂（见表 1）。根据剪切波速测试结果，拟建场地 20m 范围平均等效剪切波速为 262.06m/s，为中硬场地土，且场地覆盖层大于 5m，故建筑场地类别为 B 类。根据室内土工试验，地基土的自重湿陷系数、湿陷系数均大于 0.015，自重湿陷量计算值均大于 70mm，故拟建场地土属自重湿陷性黄土场地，地基湿陷等级为Ⅲ级。高层住宅属乙类建筑，重要性等级为二级。
表 1 地层土分布、湿陷性指标及承载力
建筑物总重 30×10'kN，基底平均压力标准值为 200kPa。天然地基不能作为持力层。地基处理采用灰土挤密桩方法，一方面消除桩间土的湿陷性，另一方面保证复合地基承载力特征值达到 200kPa 以上。根据《湿陷性黄土地区建筑规范》，乙类建筑地基处理深度不小于湿陷性土层厚度的 2/3，且剩余湿陷量不大于 150mm，故复合地基处理深度为 10m，处理宽度为超出筏板基础每边 5m。基础型式采用钢筋混凝土筏板基础，筏板厚500mm，筏板外挑以避免墙、地梁及筏板钢筋重叠造成施工困难。基础与挤密桩顶之间设置 600mm厚灰土垫层，保证基础受力均匀。
3 主体结构设计
3.1 变形缝设置
依据伸缩缝最大间距控制要求，钢筋混凝土剪力墙结构伸缩缝间距不大于 45m，故在本工程中部设置一道变形缝，缝宽100mm，同时满足抗震缝宽度要求。鉴于地下室变形缝对建筑防水的不利影响，故筏板基础及地下室不设变形缝，而是通过设置三道后浇带来满足结构需要。后浇带宽 800mm，由筏板、地下室外墙、地下室顶板贯通设置，后浇带处钢筋不断，待两个月后用强度等级高一级的不收缩混凝土浇注。
3.2 结构计算与分析
本工程抗震设防烈度为Ⅶ度，基本地震加速度为 0.15g，设计地震分组为第一组，特征周期为 Tg=0.45s。建筑场地类别为 n类。剪力墙抗震等级为三级。基本风压为 0.45kN/m2，基本雪压为 0.35kN/m2。采用中国建筑科学研究院编制的 PKPM 系列软件（2006 年 10 月版）的 SATWE 程序进行结构分析。
由于本工程平面凹凸不规则，故采用符合楼板平面内实际刚度变化的不规则结构计算模型，并且考虑偶然偏心和双向地震作用。施工荷载采用逐层加载方法。地震计算振型个数取 15，风荷载体型系数取 1.3。结构分析采用总刚分析法。计算结果见表 2、表 3、表 4。
表 2 抗震及抗风计算结果
表 3 周期
表 4 考虑偶然偏心的扭转位移比
由以上计算结果可以得出: 基底剪力系数即楼层剪重比大于 2.40%，满足规范对楼层最小剪重比的要求;结构扭转为主的第一自振周期 Tt 与平动为主的第一自振周期 T1 之比为 0.487远小于规范规定的最大限值 0.9，表明该结构扭转效应不明显;层间位移小于规范限值，保证结构的整体抗震性能;同时考虑偶然偏心的扭转位移比小于 1.2，表明该结构不属于扭转不规则结构。另外，从 JCCAD 程序中可以得出该结构质心与刚度中心的偏心距比值为 0.08，符合规范要求，表明本工程结构选型合理，不偏心。
3.3 抗震措施与构造
我国的结构抗震设计方案采用的是较低地震力-较高延性方案: 采用明显小于设防烈度的小震地面运动加速度来确定结构的设计地震作用，并通过与其他荷载内力进行组合，来完成结构的截面设计。在地震反应过程中，主要通过钢筋混凝土结构屈服后形成的延性耗能机构，达到抗震设防的目标。
在设计过程中，主要通过内力调整和构造措施，确保钢筋混凝土结构在低设计地震力的情况下具有足够的延性。
（1）设计中，进行了以下几方面的内力调整:结构自振周期折减，折减系数为 0.95;梁端负弯矩折减，取折减系数为 0.55;连梁刚度折减，折减系数为 0.6;梁扭矩折减，折减系数为 0.4;对于跨高比大于 2.5 的连梁，梁端剪力设计值应考虑梁端计算弯矩的影响进调整，增大系数为 1.1;底部加强部位剪力墙的剪力设计值增大，增大系数为 1.2。
（2）设计中，采取了以下几方面的构造措施:在剪力墙中设置构造边缘构件;墙体分布筋最小配筋率不小于 0.25%;1400mm高连梁腰筋截面直径不小于 10mm; 跨高比小于 2 的连梁配置斜向交叉钢筋。
以上构造措施主要用来加强各类构件的抗剪能力，使其不致于在强烈地震作用下，结构延性未发挥出来之前出现非延性的剪切破坏。进而保证达到规范要求的“强剪弱弯”能力。
（3）在抗震结构中，楼板不但承受竖向荷载，而且对传导水平力，协同各抗侧力构件工作起着非常重要的作用，故我们一方面应该尽量减小板厚，降低结构荷载，同时，也必须保证楼板足够的刚度进而保证结构抗震的整体性。综合考虑，本工程标准层板厚取 120mm。本工程中，平面细腰部凹进尺寸大于相应边长的 30%，细腰部分楼板刚度有较大削弱，应采取构造措施加强:细腰部楼板加厚为 150mm;细腰部楼板双层双向配筋;细腰部墙体构造加强。屋面楼板考虑温度作用采用双层双向配筋。
4 结 语
通过对上述工程实例的介绍与分析，掌握了高层剪力墙的一般设计方法，并从中获得几点体会:
（1）结构选型，特别是结构缝的设置应加以重视，即要满足规范、规程的要求，但同时也要兼顾工程实际中遇到的问题，灵活处置。
（2）我国采用较低地震力-较高延性方案，必须确保结构具有足够的延性。所以抗震设计不仅仅是程序计算，在保证结构延性的方面，构造措施显得尤为重要。
（3）结构设计中，对不规则部位，特别是结构的薄弱部位，应通过计算、分析进行准确判定，并加以可靠的加强措施。
参考文献：
[1]GB50010-2002,混凝土结构设计规范[S].
[2]GB50011-001，建筑抗震设计规范[S].
[3]GJ3-2002，高层建筑混凝土结构技术规程[S].
（作者单位：湖南省常德市规划建筑设计院有限责任公司） 来源: 《建筑中文网》.
原文网址：http://www.pipcn.com/research/201102/14772.htm
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