淺談高寬比超限高層剪力墻結構設計要點

（甘肅省建筑設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

居住空間的舒適性是人們追求的目標，為了更好的通風、采光等條件，薄型建筑出現得越來越多，這對于結構工程師在房屋高寬比抗震性能研究和高寬比超限抗震加強措施方面的要求也越來越高。高寬比的控制不僅體現在經濟性上，其限值也不是一個簡單的經驗性宏觀數據，而且與結構整個體系的設計密不可分。鋼筋混凝土剪力墻結構作為優選的結構型式之一，主要受力構件剪力墻的設計不僅要遵循短肢剪力墻較少、外縱墻宜全部落地、確定合理抗震性能目標的總體設計，還應采取比規范、規程更嚴的抗震措施和抗震構造措施，才能保證結構在各個地震水準下可靠的安全性和功能性。

1 規范要求

實際工程中常會遇到高寬比超限的結構。當8度區的高層板式建筑(住宅或酒店)進深為14～16m時，只要結構稍微有些設計高度，就會面臨高寬比超限問題。高寬比是衡量結構抗側剛度、整體穩定性、抗傾覆能力、承載能力和經濟合理性的一個宏觀指標，可以對結構形體的合理性作一個初步判斷。

《高層混凝土結構技術規程》（以下簡稱《高規》）第3.3.2條對高層建筑最大高寬比的限值與結構型式有關，不再區分A級高度和B級高度高層。目前來看，這個限值的經濟性、合理性是經過許多實際工程檢驗認可的。《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》（以下簡稱《超限審查要點》）中雖未對高寬比有明確限值，但在實際的超限審查中會予以考慮。近年來，甘肅省超高層住宅建筑越來越多，針對這一情況，出臺了《甘肅省鋼筋混凝土高層建筑結構高寬比超限抗震措施暫行規定》（以下簡稱《暫行規定》），解決了房屋高寬比較大時設計人員無相應的設計依據、采用的計算分析方法及措施差異較大、審查人員缺乏統一的定量審查標注等問題，就高寬比適用范圍、設計原則、總體設計、抗震驗算、構造措施提出了統一規定。同時，甘肅省超限高層建筑工程抗震設防審查專家委員會還編寫了《板式超高層住宅剪力墻結構高寬比超限抗震加強措施控制指標表》，規定了高寬比范圍比2012年版《高規》限制大于1、小于4情況的抗震加強措施。這些舉措都為房屋結構設計的安全性提供了保障。

2 抗震計算要點

2.1 軸壓比

剪力墻結構最大軸力往往集中在底層，而底層也是彎矩和剪力相對較大區域，這就導致高層剪力墻結構的底部墻體在軸力、剪力、彎矩共同作用下更加危險，需要嚴格控制此處軸壓比。軸壓比與剪力墻抗震性能有著密切的關系，當其在一定程度增大時，會抑制墻體自身混凝土的開裂，增強剪力墻的承載能力，是有利的，但是當其超過一定界限時，墻體會因為材料之間的延性差距，反而降低了墻體的承載能力。軸力對剪力墻的承載力、延性、側向剛度、塑性鉸范圍影響很大，合理地確定軸壓比對控制剪力墻抗震性能非常重要。

《超限審查要點》中建議應根據本地區烈度、結構超限程度和構件在結構中所處部位及其破壞影響的不同，分別規定合理的軸壓比限值，并嚴于規范要求。《暫行規定》中更是明確要求：嚴格控制外縱墻軸壓比，其限值應比按《高規》表7.2.13對應數值低0.1。

2.2 剪重比

剪重比規定了樓層的最小地震剪力，保障結構的抗震性能，為后續地震傾覆力矩、構件內力、位移等計算的合理性提供了保障，增加了結構的安全性。實際工程中，剪重比應控制在一定范圍內，否則，要么墻體設置不足，承擔地震力不夠，結構安全性低，要么墻體過多，結構剛度大，且不夠經濟優化。

《高規》規定了最小剪重比限值，然而高寬比較大的建筑很多是在一個方向由于空間等限制，存在兩個方向剪力墻布置不均的問題，容易出現剪重比超限的情況。結構布置是否合理以剪重比作為指標之一，其他還有剛度比等。

2.3 名義拉應力

在地震高烈度區，超限高層建筑結構要驗算中震作用對底部豎向構件的拉壓影響，很可能出現部分墻肢受拉的情況。如果墻肢受到小偏心受拉，很可能此時拉應力大于混凝土抗拉強度標準值，會導致剪力墻的抗剪承載能力下降，也就意味著該情況下的剪力墻抗側剛度降低，滯回能力急劇下降，形成脆性破壞，剪力墻會失去原有的設置意義。在中震作用下，需考慮結構的剪力墻抗拉性能。為了避免中震作用下帶來的墻體受拉開裂破壞，建議在剪力墻墻肢中加入一定量型鋼，這是經實踐驗證有效且實用的方法，保障結構在中震作用下的抗震性能。

《超限高審查要點》規定：中震時出現小偏心受拉的混凝土構件應采取《高規》中規定的特一級抗震構造措施，且控制雙向水平地震下墻肢全截面由軸向力產生的平均名義拉應力在兩倍混凝土抗拉強度標準值范圍內。當僅超過混凝土抗拉強度標準值時，可采取設置型鋼的措施來承擔拉力。

3 常用措施和計算方法

3.1 結構布置和構造措施

多遇地震下的彈性層間位移角限值和罕遇地震下的彈塑性層間位移角限值設置均嚴于規范，增加橫向兩端部墻體長度并形成連肢墻，使得整體結構有較大的橫向剛度及抗扭剛度。調整周邊結構布置和構件尺寸，盡量減小結構扭轉位移比，在不考慮偶然偏心的情況下，控制各層扭轉位移比均小于1.2。加強薄弱層抗剪承載力，嚴格控制相鄰層剛重比。

剪力墻的抗震性能在整體結構中至關重要，可采取以下措施：剪力墻外縱墻全部落地，嚴格控制外縱墻剪力墻的軸壓比，提高外縱墻約束邊緣構件抗震等級，提高外縱墻約束邊緣構件的最小配筋率、配箍特征值等。嚴格控制地震作用下的墻體剪壓比，確保墻體在罕遇地震下不發生受剪破壞，保證性能設計目標。

3.2 計算方法

采用兩個不同力學模型的結構分析軟件進行多遇地震下的整體對比計算，補充彈性時程分析法進行多遇地震計算，保證計算結果的可靠性。進行設防烈度和罕遇地震下的構件承載力驗算，計算底部墻肢水平分布筋、邊緣構件縱筋、豎向分布筋，驗算墻肢的名義拉應力，確保設防地震下墻體不承擔拉應力，使底部墻體受剪截面均符合截面受剪限值條件，避免墻體在罕遇地震下的剪切脆性破壞。此外，對結構進行罕遇地震下的動力彈塑性分析計算，根據結構的變形情況和主要構件的塑性損傷情況，驗證罕遇地震下結構的性能設計目標，從而分析結構的薄弱部位并進行加強。

4 工程實例

蘭州市某高層住宅樓（屬于省定高寬比超限的高層建筑工程），剪力墻結構，抗震等級8 度（0.2g），房屋高度98.63m，等效寬度14.042m（按3.5i計算），高寬比7.03，超規范限值2～3。

采用SATWE和YJK兩個不同力學模型結構分析軟件，進行多遇地震下的整體對比計算。采用YJK結構分析軟件，用彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算。用PKPM-SAUSAGE軟件對結構進行罕遇地震下的動力彈塑性分析計算后得到以下計算結果：

多遇地震作用下，層間位移角限值按1/1050控制；罕遇地震作用下，層間位移角限值按1/135控制，各層計算值均符合要求（表1）。

表1 多遇、罕遇地震作用下最大層間位移角

2）底層墻、柱軸壓比最大值0.40，比規范限值降低0.1（圖1），地震剪力系數均大于0.032（表2），滿足規范要求。

表2 地震剪力系數

3）墻體采取抗震構造措施：外縱墻約束邊緣構件抗震等級提高至一*級，外縱墻約束邊緣構件的最小配筋率≥1.45%（8Φ20），外縱墻約束邊緣構件配箍特征值增大20%；約束邊緣構件所在高度范圍內剪力墻水平及豎向鋼筋最小配筋率：外縱墻≥0.45%，外縱墻局部凸出墻≥0.50%，其他墻≥0.40%。

4）約束邊緣構件高度取底部加強部位及相鄰上二層；約束邊緣構件之上增加二層過渡層。過渡層暗柱配筋率、墻體配筋率及配箍特征值取加強部位與上部墻體的中間值。

5）4#墻、5#墻、6#墻墻肢（圖2）在設防烈度地震作用下混凝土全截面名義拉應力超過混凝土抗拉強度標準值但未超過2倍（表3），對上述墻肢采用型鋼承擔全部拉應力，確保設防地震下墻體砼不承擔拉應力。

圖1 底層墻、柱軸壓比圖

圖2 單元墻體布置圖（設防烈度）

表3 設防地震下底部加強部位墻肢名義拉應力驗算

6）從大震計算得出的損傷圖（圖3）可見上部樓層外凸部位的外縱墻有輕微損傷，反映了本結構對高振型響應較大，該損傷對結構整體性能影響較小，故對該部位墻肢應加強配筋構造，保證其屈服后的延性承載能力與變形能力。

通過以上分析計算可知，針對本工程高度超限和高寬比超限問題，結構設計除符合現行規范對高層建筑的有關規定外，滿足了《超限審查要點》和《暫行規定》要求，采取了更嚴格的針對性的抗震措施和預期性能目標，整體結構可實現“小震不壞、中震可修和大震不倒”的設防目標。

5 結論

高寬比超限應進行多遇地震下的彈性分析、設防烈度和罕遇地震下的構件承載力驗算、罕遇地震下的彈塑性計算分析。控制彈性和罕遇地震下的位移比，結合軸壓比、剪重比、剛度比等計算指標，采取嚴于規范要求的抗震措施和抗震構造措施，對結構整體把控、精準分析、措施到位。除此以外，還應關注高寬比較大結構的基礎設計問題，進行結構整體抗傾覆及穩定驗算，控制基礎邊緣不出現負應力，控制罕遇地震下基底零應力區、筏板外懸挑端基底壓應力、邊樁抗壓抗拔承載力，控制大震作用下筏板外懸挑部位抗剪、抗彎、抗沖切承載力等。這些關鍵因素能為超限結構設計提供更經濟的合理性和更可靠的抗震性能。