某高層住宅混凝土剪力墻結構的抗震設計方法的探討

張城雨

上海寶冶集團有限公司 上海 200941

引言

隨著城鎮化的快速發展以及居住水平和生活方式的轉變，高層住宅建筑近幾年的使用率急增，而住宅建筑的抗震設計越來越重要，尤其是對一些地震頻繁發生地區的高層住宅建筑物，其破壞和倒塌的后果就更加嚴重，抗震要求更加要提高。

下面列舉某個項目的8-4#樓單體結構設計進行詳細說明。

1 工程概況

本項目建筑面積，含保溫，地上總建筑面積10026.36m2，地上地下總建筑面積10598.74m2，地下一層自行車庫，層高2.7m，地上18層，層高2.8m，建筑高度52.5米，屋頂有飄架造型；左側帶自行車坡道，結構形式為剪力墻結構，抗震設防烈度為七度，設計地震分組第一組，設計基本地震加速度0.10g，場地類別上海IV類，Tg=0.9秒，建筑結構阻尼比0.05，水平地震影響系數最大值多遇地震為0.08，罕遇地震為0.50。建筑結構的長×寬尺寸48.9m×17.6m，戶型面積緊湊，由于房間使用功能，導致結構凹凸不平，本建筑北側對稱軸處平面凹進的尺寸，大于相應投影方向總尺寸的30%，屬于平面布置不規則的結構，較普通建筑物薄弱[1]。

2 抗震設計分析

本單體主體結構采用pkpm2010v2.2版本進行整體計算，除了按照《建筑抗震設計規范》要求的抗震措施，例如：以上的設計數據，地震力的計算，截面抗震驗算，抗震變形驗算，各構件的計算要點等等。還有規范要求的剪力墻基本抗震構造措施，例如：墻梁板的截面大小，配筋率，鋼筋間距，邊緣構件的軸壓比，混凝土標號等等。實際計算時嚴格按照規范要求的各抗震措施，并依據上海市超限高層建筑抗震設防管理實施細則，確保結構平面布置及計算不超限[2]。

在施工圖設計中，還要綜合考慮整個建筑的穩定性，牢固性等特點，依據計算結果判明其應力集中，變形集中或地震扭轉效應等導致的易損薄弱部位，在薄弱部位采取合理的抗震加強措施，例如：

（1）本建筑北側對稱軸處平面凹進的尺寸，大于相應投影方向總尺寸的30%，屬于超限結構，考慮此處為結構的薄弱位置，中間樓板形成細腰，容易斷裂。需要在此處采取抗震措施，增設2m寬的抗震拉板，使結構能有效傳遞水平力，在抗震設計加強的前提下，抗震構造更加要加強。

（2）本建筑南側（圖1）陽臺附近有小凹口，此處水平力傳遞受阻，我們在不影響建筑使用功能的前提下，把梁拉通，使X方向水平力得到有效傳遞，對整體結構受力有利，考慮此處為結構的薄弱位置，不僅抗震設計加強，抗震構造更加要加強[3]。

圖1 抗震措施加強部位二

（3）根據pkpm計算的結果，每一層的側向剛度均大于其相鄰上一層的70%，或大于其上相鄰三個樓層側向剛度平均值的80%，依據抗震規范，可以判定為本建筑的豎向布置規則，不需要再另外加強抗震措施。

（4）扭轉周期比。C8-4#樓 satewe計算周期信息見表1。

表1 satewe計算周期信息

地震作用最大的方向 =0.063(度)

有效質量系數X向94.97%，Y向95.15%。振型數量滿足要求。

《建筑抗震設計規范》GB50011-2010條文說明3.4.1表1中列舉特別不規則項目第2條，扭轉周期比的限值0.9，本建筑由satewe計算周期信息中，扭轉周期比1.3340/1.5173=0.88，滿足建筑抗震設計規范強制性條文要求[4]。

（5）結構層間位移角及層間位移比（satewe位移輸出），層間位移角見表2。

表2 層間位移角

層間位移角均滿足規范要求。

《建筑抗震設計規范》GB50011-2010表5.5.1彈性層間位移角限制中規定，鋼筋混凝土抗震墻、筒中筒結構的位移角限制為1/1000。

（6）結構層間最大位移比（地震作用考慮偶然偏心作用）見表3。

表3 層間最大位移比

層間位移比均滿足規范要求。

《建筑抗震設計規范》GB50011-2010第3.4.4條第1條，平面不規則二豎向規則的建筑，應采用空間結構計算模型，并應符合下列要求：扭轉不規則時，應計入扭轉影響，且樓層豎向構件最大的彈性水平位移和層間位移分別不宜大于樓層兩端彈性水平位移和層間位移平均值的1.5倍。本結構的層間位移比均滿足抗震規范要求[5]。

3 抗震措施

在抗震設計計算時，遇到很多不滿足抗震規范的問題，如連梁超筋，墻柱軸壓比及配筋超限。經過一次次的調試驗算這些問題逐一解決。但是有幾點問題，需要引起重視。

3.1 連梁

在PKPM設計軟件中，程序自動檢查跨高比小于5的梁，然后自動定義為連梁，而《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010條文說明7.1.3解釋兩端與剪力墻在平面內相連的梁為連梁。所以我們需要對模型中連梁按層進行特殊構件補充修改，確保連梁沒有遺漏。

由于連梁兩端墻肢的不均勻壓縮，會引起連梁兩端的豎向位移差，這也將在連梁內產生內力。我們在設計時，會采取降低連梁內力的各種措施，如：增大剪力墻的洞口寬度；在連梁中部開水平縫；在計算內力和配筋時對連梁剛度進行折減；對局部內力過大層的連梁進行調整等[6]。

因此，在實際的工程中要使連梁設計滿足強剪弱彎的原則就必須考慮以下幾個方面：

（1）關于連梁剛度的折減

連梁由于跨高比小，與之相連的墻肢剛度大等原因，在水平力作用下的內力往往很大，連梁屈服時表現為梁端出現裂縫，剛度減弱，內力重分布。因此在開始進行結構整體計算時，就需對連梁剛度進行折減。《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010的5.2.1條文說明指出對于重力荷載、風荷載作用效應計算不宜考慮連梁剛度折減；對有地震作用效應組合工況，均可考慮連梁剛度折減。《建筑抗震設計規范》GB50011-2010的6.2.13條文說明2指出計算位移時，連梁剛度可不折減[7]。

（2）增加連梁跨度、減小連梁高度

在連梁設計中，剛度折減后，仍可能發生連梁正截面受彎承載力或斜截面受剪承載力不夠的情況，這時可以增加洞口的寬度，以減少連梁剛度。減少了結構的整體剛度，也就減少了地震作用的影響，使連梁的承載力有可能不超限。

3.2 提高混凝土強度等級

混凝土強度等級提高以后，結構的地震作用影響增加的比例遠小于混凝土受剪承載力提高的比例，有可能使連梁的受剪承載力不超限[8]。

3.3 地下室頂板作為上部結構的嵌固部位

地下室頂板作為上部結構的嵌固部位時，要滿足抗震規范的一些相關要求：①結構地上一層的側向剛度，不宜大于相關范圍地下一層側向剛度的0.5倍。②地下一層柱截面每側縱向鋼筋不應小于地上一層柱對應縱向鋼筋的1.1倍。③頂板采用現澆梁板結構，板厚不宜小于180mm。混凝土強度等級不宜小于C30，應采用雙層雙向配筋，且每層每個方向的配筋率不宜小于0.25%。

4 結束語

通過工程項目實例，在類似的高層住宅建筑抗震設計計算時，從結構選型，平面抗側力構件布置，再到運用軟件電算，得到以下結論：

（1）根據結構布置，在結構平面凹進處增加2m拉板，避免形成細腰結構，使得結構平面凹進的尺寸，小于相應投影方向總尺寸的30%，滿足抗震規范的要求。

（2）通過調整連梁，墻柱軸壓比，提高混凝土強度等級，合理選取上部結構嵌固端等抗震措施，來滿足抗震規范的要求。