上海某剪力墻高層住宅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張 宇

1 工程概況

上海某住宅小區(qū)位于御橋居住區(qū)規(guī)劃五街坊內(nèi)，范圍西起咸塘浜，東至御山路，南靠在建住宅用地，北鄰御橋路;總建筑面積84 950 m2，基地面積50 000 m2;包括5幢高層住宅、2幢小高層住宅和9幢多層住宅，其中15號(hào)住宅樓地上23層，層高2.80 m，室內(nèi)外高差0.45 m，室外地坪至主體結(jié)構(gòu)檐口的高度為64.85 m，基礎(chǔ)埋深為3.65 m。由于平面超長(49.25 m＞45 m)，故設(shè)置伸縮縫將結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)獨(dú)立的單元進(jìn)行設(shè)計(jì)。建筑物的長寬比L/Bmax=24.6/17.2=1.43 ＜5，高寬比 H/B=64.85/17.2=3.77 ＜6，符合規(guī)范要求;建筑立面無收進(jìn)凸出;故屬于平面及立面均規(guī)則的高層建筑。

剪力墻混凝土強(qiáng)度等級為C30，為方便施工，樓板和梁的混凝土強(qiáng)度等級同墻體一致取C30。墻、梁、板內(nèi)受力筋選用HRB335級，分布筋選用HPB235級。

2 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

工程地質(zhì)報(bào)告提供的地基土層分布情況及物理力學(xué)特性見表1。場地的地震基本烈度為7度，由于在15.0 m深度范圍內(nèi)無成層連續(xù)分布的飽和砂性土和砂質(zhì)粉土存在，故不存在地基土的液化問題。

表1 地基土層分布及物理力學(xué)特性

上海地區(qū)為Ⅳ類場地，地下水位較高，上部土層軟弱，天然地基不能滿足工程對地基承載力和沉降的要求，經(jīng)過充分的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較，決定選用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁(代號(hào)PHC)，樁徑500 mm，樁長46.5 m，持力層為⑦1草黃色粉砂層，單樁豎向抗壓承載力設(shè)計(jì)值Ra=2 560 kN。室內(nèi)地面設(shè)計(jì)標(biāo)高±0.000相當(dāng)于結(jié)構(gòu)標(biāo)高4.650 m(吳淞高程)。

本工程在初步設(shè)計(jì)階段，曾設(shè)置有一層地下室，層高為3.3 m。在施工圖階段，由于業(yè)主一再要求建筑功能不需要地下室，故建筑不設(shè)地下室，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)基礎(chǔ)埋深仍取3.65 m(室外地坪至承臺(tái)底)，以滿足《高規(guī)》第12.1.7條2款H/18的埋深要求。

樁基承臺(tái)采用墻下條形承臺(tái)，單排布樁。因?yàn)樯喜拷Y(jié)構(gòu)為剪力墻，且荷載分布較為均勻，故所有管樁均布置在墻下，基礎(chǔ)梁截面取700×800(b×h)，鋼筋按構(gòu)造配置。基礎(chǔ)沉降計(jì)算采用上海同濟(jì)啟明星樁基設(shè)計(jì)計(jì)算軟件Pile2006，按常規(guī)樁基的Mindlin應(yīng)力法單向縮分層總和法計(jì)算，經(jīng)計(jì)算樁基的平均沉降量估算值為48.3 mm，符合有關(guān)規(guī)范要求。

經(jīng)三維空間設(shè)計(jì)分析軟件驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定和抗傾覆能力均能滿足要求。為了進(jìn)一步保證基礎(chǔ)對上部結(jié)構(gòu)的嵌固作用，設(shè)計(jì)中還采取了如下加強(qiáng)措施:1)樁筋錨入承臺(tái)梁內(nèi)40d，以保證基礎(chǔ)對上部結(jié)構(gòu)的嵌固作用和整體作用;2)底板與護(hù)坡樁之間采用C10素混凝土灌實(shí)，加強(qiáng)側(cè)限以提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和基礎(chǔ)的抗滑能力。

3 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

3.1 結(jié)構(gòu)體系及設(shè)計(jì)參數(shù)

由于15號(hào)樓建筑平面長度為49.45 m(超出現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)溫度伸縮縫的長度限值)，故在平面中部設(shè)置250 mm寬的伸縮縫(同時(shí)滿足抗震縫的寬度要求)，將整個(gè)結(jié)構(gòu)分為左右兩個(gè)對稱的平面。結(jié)構(gòu)整體計(jì)算采用中國建筑科學(xué)研究院開發(fā)的PKPM軟件中的SATWE(高層版)模塊，并采用PMSAP做補(bǔ)充計(jì)算;位移參數(shù)控制計(jì)算時(shí)采用離散模型，內(nèi)力配筋計(jì)算時(shí)采用整體模型。

15號(hào)樓采用剪力墻結(jié)構(gòu);考慮抹灰粉刷層重量后，混凝土的重度取27 kN/m3;建筑抗震設(shè)防類別為丙類;地震設(shè)防烈度為7度;設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g;Ⅳ類場地;特征周期值為0.9 s;剪力墻抗震等級為三級;結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05;水平地震影響系數(shù)最大值為0.08;罕遇地震影響系數(shù)最大值為0.5;修正后基本風(fēng)壓為0.60 kN/m2(取100年一遇)，地面粗糙度為B類，結(jié)構(gòu)體形系數(shù)為1.3。地震力按x，y兩個(gè)方向計(jì)算，同時(shí)考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián);風(fēng)荷載按x，y兩個(gè)方向計(jì)算;恒、活荷載分開計(jì)算;恒載按模擬施工1加載;柱、墻、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)活載按樓層折減;周期折減系數(shù)取0.95;計(jì)算取15個(gè)振型;連梁剛度折減系數(shù)取0.7;梁端負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù)為0.85;中梁剛度放大系數(shù)為2;梁扭矩折減系數(shù)為0.4;地震力的分項(xiàng)系數(shù)為1.2，風(fēng)荷載的分項(xiàng)系數(shù)為1.4，恒荷載的分項(xiàng)系數(shù)為1.2，活荷載的分項(xiàng)系數(shù)為1.4。墻元細(xì)分中殼元最大控制邊長為2.0 m;底部加強(qiáng)部位從基頂至8.38 m(層4樓面處)。

樓板的概念設(shè)計(jì)對結(jié)構(gòu)剛度的實(shí)現(xiàn)起著舉足輕重的作用，在保證結(jié)構(gòu)平面整體性的同時(shí)盡可能減小板厚，降低自重的不利影響。標(biāo)準(zhǔn)層一般樓板厚110 mm，地下室頂板和屋頂樓板對剛度影響最大，將板分別加大為180 mm和120 mm，設(shè)置通長鋼筋并將配筋加強(qiáng)，配筋率取0.25%。

另外樓面陽角處和跨度不小于3.9 m的樓板，也設(shè)置雙層雙向配筋，且陽角處鋼筋間距不大于100 mm;跨度不小于3.9 m的樓板鋼筋間距不大于150 mm;鋼筋直徑不小于8。外墻轉(zhuǎn)角處尚應(yīng)設(shè)置放射形鋼筋，配筋范圍大于板跨的1/3，鋼筋間距不大于100 mm。對于樓、電梯間開大洞口處的周圍樓板厚度取120 mm，并按雙層雙向配筋，以增加樓板平面內(nèi)的剛度;在結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)，將該部分樓板定義為彈性板。

鑒于對于⑤軸～⑥/?軸處的凹槽較深(凹進(jìn)為2.25 m，占該部分樓板投影方向總尺寸的21.13%)，雖然不大于30%，但也屬于平面薄弱部位，故在凹槽處隔層設(shè)置截面200×300連梁，并在凹槽內(nèi)側(cè)設(shè)置1.2 m寬120厚的拉結(jié)板帶，使結(jié)構(gòu)計(jì)算模型滿足平面無限剛性的假定。

剪力墻的厚度及連梁的高度對結(jié)構(gòu)整體剛度起決定性作用:結(jié)構(gòu)剛度大，使得地震作用構(gòu)件的尺寸和配筋加大，造成浪費(fèi);結(jié)構(gòu)剛度小，會(huì)使結(jié)構(gòu)在正常使用條件下的位移偏大，影響承載力、穩(wěn)定性和使用。

在工程的初步設(shè)計(jì)階段，筆者就從“概念設(shè)計(jì)”出發(fā)，合理布置結(jié)構(gòu)構(gòu)件，既要滿足安全度要求，又要使結(jié)構(gòu)具備一定的延性，達(dá)到有效地地震耗量效果。地面以下剪力墻厚取250 mm;地面以上剪力墻厚取200 mm;連梁以200×400為主。

表2 三維空間有限元分析結(jié)果

3.2 電算分析結(jié)果及判斷

電算分析采用三維空間有限元SATWE程序，PMSAP程序做補(bǔ)充計(jì)算;計(jì)算時(shí)考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)和偶然偏心影響，結(jié)構(gòu)振型數(shù)取15個(gè)，按《高規(guī)》要求分別對正交(xoy坐標(biāo)系)方向進(jìn)行多遇水平地震作用下內(nèi)力和變形分析，計(jì)算結(jié)果見表2。

將SATWE電算結(jié)果與PMSAP電算結(jié)果相比較，兩個(gè)程序分析的結(jié)構(gòu)自振周期相近，第一、二主振型均為平動(dòng)振型;兩種程序分析的結(jié)構(gòu)最大層間位移也相近，發(fā)生的層號(hào)相同;PMSAP分析的層間位移還略大于SATWE分析結(jié)果，與兩種程序分析的結(jié)構(gòu)自振周期分別相符。

由表2可知，結(jié)構(gòu)在地震和風(fēng)荷載作用下位移值均在規(guī)范要求的限值內(nèi)，并且以扭轉(zhuǎn)為主的第三振型周期T3與以側(cè)振為主的第一振型周期T1之比值均小于0.85，僅在X+5%作用下層2的樓層彈性最大層間位移與平均層間位移比值為1.40，說明結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與剛度分布不均勻、不對稱，此時(shí)應(yīng)考慮計(jì)算“雙向地震”作用的情況。根據(jù)SATWE的用戶手冊，當(dāng)同時(shí)勾選“偶然偏心”和“雙向地震”作用后，程序按兩者不利情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，并非疊加設(shè)計(jì)，故按同時(shí)勾選“偶然偏心”和“雙向地震”再算一次，并按此結(jié)果進(jìn)行配筋。

經(jīng)過兩種程序的分析和對比，15號(hào)樓抗震設(shè)計(jì)的各項(xiàng)主要計(jì)算數(shù)據(jù)均可滿足規(guī)范的要求。

對于本工程存在的少量短肢剪力墻構(gòu)件，根據(jù)文獻(xiàn)［2］，不必遵守《高規(guī)》第7.1.2條規(guī)定。由于《高規(guī)》表7.2.14未給出三級抗震時(shí)剪力墻的軸壓比，在此筆者建議按0.7控制，以增加結(jié)構(gòu)延性，改善結(jié)構(gòu)的變形能力。

4 結(jié)語

建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)避免出現(xiàn)以扭轉(zhuǎn)為主要成分的主振型結(jié)構(gòu)，當(dāng)出現(xiàn)時(shí)應(yīng)調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度，即提高抗扭剛度，降低側(cè)移剛度或同時(shí)調(diào)整結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布。

對這類結(jié)構(gòu)建議采用兩種以上三維空間有限元計(jì)算程序分析，應(yīng)計(jì)算雙向水平地震作用效應(yīng)并計(jì)及扭轉(zhuǎn)影響，選取足夠的振型，使振型參與質(zhì)量不小于90%，并應(yīng)對各種程序的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，必要時(shí)應(yīng)再次調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，使計(jì)算的內(nèi)力和變形等數(shù)據(jù)能滿足建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。在施工圖設(shè)計(jì)時(shí)提高抗震構(gòu)造措施，可采取以下措施:

1)根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性和動(dòng)力特性提高結(jié)構(gòu)抗震等級;

2)嚴(yán)格控制剪力墻(特別是短肢墻)的軸壓比;

3)提高剪力墻截面構(gòu)造要求，控制剪力墻的高厚比，適度增加墻厚，提高配筋率，將約束邊緣構(gòu)件的層數(shù)增加若干層;

4)適度增加樓面剛度，使其符合平面內(nèi)無限剛假定，增加板內(nèi)配筋率，必要部位樓板鋼筋雙層雙向貫通;

5)建議增加彈性階段的時(shí)程分析，校核結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。

［1］ JGJ 3-2002，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［2］ GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］ GB 50011-2010，建筑設(shè)計(jì)抗震規(guī)范［S］.

［4］ 上海市地方標(biāo)準(zhǔn)，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程［S］.