高層剪力墻結(jié)構(gòu)底部設(shè)置少量框架裙房的設(shè)計探討

韓廷，韓麗君，高慧升，張春霞

（呼和浩特市建設(shè)工程施工圖審查中心有限公司，呼和浩特 010020）

1 引言

在高層住宅設(shè)計中，經(jīng)常遇到需在高層住宅建筑首層及2層設(shè)置小型營業(yè)性用房的情況。有時為了擴大營業(yè)面積，通常從高層建筑底部延伸1～2 跨作為底部商業(yè)服務(wù)網(wǎng)點。由于裙房作為營業(yè)性用房的功能需要，豎向構(gòu)件布置相對主樓剪力墻結(jié)構(gòu)更為空曠，裙房多采用框架結(jié)構(gòu)與主樓高層剪力墻結(jié)構(gòu)直接連接。

該類型結(jié)構(gòu)的特點：一是豎向框架裙房的高度小于主樓高度的0.2 倍，不屬于JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[1]3.5.5 條及10.6.1 條所規(guī)定的豎向上部收進結(jié)構(gòu)；二是平面上從主樓延伸的范圍一般在主樓的影響范圍內(nèi)，不超過3跨及20 m；三是主樓與裙房之間不設(shè)縫，便于建筑功能的連續(xù)性。本文所探討結(jié)構(gòu)類型均應(yīng)滿足上述條件。

2 工程概況

結(jié)合某高層住宅項目，地上20 層，地下1 層，建筑高度61.8 m，首層層高5.1 m，2 層層高4.2 m，3 層以上為標(biāo)準(zhǔn)層，層高均為2.9 m，室內(nèi)外高差0.3 m；結(jié)構(gòu)首、2 層設(shè)裙房，裙房從主樓延伸2 跨，橫向進深分別為6 m、5 m，縱向6 個開間，柱距約8 m，以上為標(biāo)準(zhǔn)層，結(jié)構(gòu)三維模型如圖1 所示。

圖1 三維模型

本工程設(shè)計使用年限50 a，結(jié)構(gòu)安全等級二級，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)類設(shè)防，抗震設(shè)防烈度8 度（0.2g），設(shè)計地震分組第一組，建筑場地類別為Ⅲ類，特征周期0.45 s，基本風(fēng)壓0.45 kN/m2，地面粗糙度為B 類，上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位位于地下室頂板。

3 底部框架承擔(dān)地震剪力及傾覆力矩對比

為分析底部框架及剪力墻在抵抗水平作用時各自發(fā)揮的作用，分別統(tǒng)計底部2 層框架柱與剪力墻承擔(dān)的剪力及地震傾覆力矩[2]，見表1～表4。

表1 X 向地震工況下的剪力及百分比 kN

表2 X 向靜震工況下的傾覆力矩及百分比 kN·m

表3 Y 向地震工況下的剪力及百分比 kN

表4 Y 向靜震工況下的傾覆力矩及百分比 kN·m

由表1～表4 可知，底層框架柱承擔(dān)的X、Y 向地震剪力及傾覆力矩百分比均在2%～3%，該類型結(jié)構(gòu)在抵抗水平作用時，底部裙房框架發(fā)揮的作用遠遠小于主樓剪力墻，結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件以主樓剪力墻結(jié)構(gòu)為主，框架部分幾乎可以忽略不計。

4 框架柱內(nèi)力調(diào)整及二道防線問題探討

對于該類型結(jié)構(gòu)，是否還需按照J(rèn)GJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》8.1.4 條對框架柱總剪力進行調(diào)整？不少結(jié)構(gòu)設(shè)計人員及施工圖審查人員根據(jù)JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》8.1.3 條條文解釋，認(rèn)為當(dāng)結(jié)構(gòu)底層框架部分承受的地震傾覆力矩與結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩比值小于10%時，框架部分仍需要進行剪力調(diào)整[3]。

對于此類型結(jié)構(gòu)是否需要對底部框架柱承擔(dān)的地震總剪力進行調(diào)整，應(yīng)從框架-剪力墻結(jié)構(gòu)框架柱內(nèi)力調(diào)整的目的進行分析。框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中框架柱內(nèi)力調(diào)整的宗旨在于：一是按多道防線的概念，讓框架柱形成二道防線[4]；二是協(xié)同計算時采用樓板平面內(nèi)剛度無限大的假定，由于普通框剪結(jié)構(gòu)中剪力墻間距較大，樓板變形會加重框架的負擔(dān)，框架柱處樓板位移較大，相應(yīng)地框架柱的水平力較計算值大[5]，如圖2 所示，框架實際位移Uc較剪力墻位移Us大。

圖2 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)水平位移示意圖

結(jié)合本類型結(jié)構(gòu)，底部裙房框架柱承擔(dān)的地震剪力及傾覆力矩有限，且底部框架裙房層數(shù)較少，裙房框架從主樓平面延伸范圍有限，若讓該部分框架作為高層剪力墻的二道防線，有限數(shù)量的框架柱按JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》8.1.4 條的調(diào)整方法進行調(diào)整，顯然起不到二次防線的作用，且不經(jīng)濟。實際上彈性階段，剪力墻與底部框架協(xié)同工作如圖3a 所示；進入塑性階段后，框架形成塑性鉸，如圖3b 所示，水平地震剪力均由剪力墻承擔(dān)，裙房框架受力僅承受豎向荷載，顯然更符合本類型結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求。此外，與普通框架-剪力墻結(jié)構(gòu)相比，高層剪力墻結(jié)構(gòu)底部設(shè)置少量框架裙房，剪力墻間距一般較框架柱柱距小，不會產(chǎn)生圖2 所示框架實際位移較計算位移大的情況，故筆者認(rèn)為該類型結(jié)構(gòu)不需按照框架-剪力墻結(jié)構(gòu)對框架柱內(nèi)力進行調(diào)整，實際上，進入塑性階段，適當(dāng)提高底部剪力墻的內(nèi)力更為合理。

圖3 協(xié)同工作示意圖

5 剪力墻地震作用調(diào)整的實用計算方法

為分析底部框架部分對該類型結(jié)構(gòu)地震作用產(chǎn)生的影響，以底部剪力法為例，推導(dǎo)剪力墻地震作用調(diào)整近似計算方法。根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（2016 年版）5.2.1條，水平地震作用計算按下列公式確定：

式中，F(xiàn)Ek為結(jié)構(gòu)水平總剪力；α1為水平地震影響系數(shù)值；Geq為結(jié)構(gòu)等效總重力荷載；Fi為質(zhì)點i 的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值；Gi、Gj分別為集中于質(zhì)點i、j 的重力荷載代表值；Hi、Hj分別為質(zhì)點i、j 的計算高度；δn為頂部附加地震作用系數(shù)；ΔFn為頂部附加水平地震作用。

由底部框架承擔(dān)地震剪力及傾覆力矩對比可知，此類型結(jié)構(gòu)，底部框架部分剛度較小，抵抗水平力的貢獻較小，可以近似假定其對結(jié)構(gòu)整體周期不產(chǎn)生影響。與無底部框架裙房的純剪力墻結(jié)構(gòu)對比：式（1）中水平地震影響系數(shù)α1不變，主要變化為結(jié)構(gòu)等效總重力荷載Geq；根據(jù)式（2），在層高不變的情況下，各層地震剪力的變化主要取決于結(jié)構(gòu)等效總重力荷載及各層重力荷載代表值，偏安全地將底部裙房框架的質(zhì)量分?jǐn)偟缴喜扛鲗蛹袅?，即剪力墻各層地震作用調(diào)整系數(shù)應(yīng)按底部考慮裙房部分結(jié)構(gòu)等效總重力荷載與不考慮裙房部分結(jié)構(gòu)等效總重力荷載的比值計算，見式（4）：

式中，ηw為剪力墻地震作用調(diào)整系數(shù)；為考慮裙房部分結(jié)構(gòu)等效總重力荷載；為不考慮裙房部分結(jié)構(gòu)等效總重力荷載。

實際建模計算過程中，一般建立2 個計算模型，模型一為整體模型，包含裙房框架部分，模型二為不考慮裙房部分純剪力墻結(jié)構(gòu)模型。分別計算，分別讀取結(jié)構(gòu)等效總重力荷載，計算其比值，確定剪力墻地震作用調(diào)整系數(shù)；再將該系數(shù)代入不考慮裙房的純剪力墻結(jié)構(gòu)模型中，作為地震作用放大系數(shù)。

將該計算結(jié)果與整體模型包絡(luò)，用于剪力墻設(shè)計；裙房框架部分設(shè)計按整體計算模型設(shè)計，無須進行框架柱內(nèi)力調(diào)整。

本項目按上述原則，建立2 個模型，分別讀取結(jié)構(gòu)等效總重力荷載，代入公式（4），剪力墻地震作用調(diào)整系數(shù)ηw為22 106.494/19 773.23=1.12。將該系數(shù)作為模型二的水平地震作用放大系數(shù)進行結(jié)構(gòu)計算，對比2 個模型首層剪力墻X、Y向總剪力如表5，底部2 層剪力墻按模型二進行設(shè)計，首層剪力墻地震剪力放大約1.08 倍。

表5 底部剪力墻總剪力對比kN

6 抗震措施

6.1 抗震等級

根據(jù)JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》8.1.3條，框架部分承受的地震傾覆力矩不大于總地震傾覆力矩的10%時，按剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計。故該類型結(jié)構(gòu)中剪力墻的抗震等級按剪力墻結(jié)構(gòu)確定抗震等級；對于裙房框架部分的抗震等級，是否需執(zhí)行JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》8.1.3 條中“其中框架部分應(yīng)按框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的框架進行設(shè)計”，爭議較大。

結(jié)合本工程實例，建筑高度61.5 m，抗震設(shè)防烈度8 度（0.2g），剪力墻結(jié)構(gòu)，根據(jù)JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》3.9.4 條，主樓剪力墻抗震等級為二級；裙房框架的抗震等級，若按框架剪力墻結(jié)構(gòu)確定，則框架抗震等級為一級，裙房框架的抗震等級高于主樓顯然不合理，如圖4a 所示。

該類型結(jié)構(gòu)中的裙房框架，抵抗水平作用的貢獻較小，地震作用幾乎由剪力墻承擔(dān)，筆者認(rèn)為盲目執(zhí)行JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》8.1.3 條中“其中框架部分應(yīng)按框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的框架進行設(shè)計”這一條文，將框架裙房的抗震等級提高沒有必要，也不經(jīng)濟。裙房局部框架抗震等級同剪力墻抗震等級即可，見圖4b。與其加強裙房框架的抗震等級，不如加強主樓剪力墻在裙房頂板上下各一層范圍內(nèi)的抗震構(gòu)造措施，對提高該類型結(jié)構(gòu)的抗震性能更為有效。

圖4 抗震等級示意圖

6.2 構(gòu)造措施

與普通的剪力墻結(jié)構(gòu)相比，底部設(shè)置少量裙房框架的剪力墻結(jié)構(gòu)，應(yīng)注意以下構(gòu)造措施：

1）避免錯層，方案設(shè)計階段裙房樓板標(biāo)高宜盡量同主樓部分樓板標(biāo)高一致；若局部錯層，對錯層剪力墻尚應(yīng)提高水平及豎向分布鋼筋配筋率，應(yīng)不小于0.5%，墻厚應(yīng)不小于250 mm，且應(yīng)設(shè)置與之垂直的墻肢或扶壁柱。

2）為保證裙房地震力合理的傳遞，裙房頂板上下各一層范圍內(nèi)主樓及裙房樓板宜采取加強措施，板厚宜不小于130 mm，雙層雙向配筋，配筋率宜不小于0.25%。

3）為避免裙房框架梁梁端面外支承在主樓剪力墻上引起主樓剪力墻局部開裂，在裙房框架梁梁端的剪力墻處宜設(shè)置端柱或扶壁柱。本項目中，如圖5 所示位置，裙樓框架樓與主樓剪力墻相交處均設(shè)置類似端柱。

圖5 剪力墻端柱平面布置示意圖

4）防止裙房基礎(chǔ)與主樓基礎(chǔ)之間的差異沉降，裙房與主樓之間宜設(shè)置沉降后澆帶，或裙房待主樓沉降穩(wěn)定后再行施工。

7 結(jié)語

針對高層剪力墻結(jié)構(gòu)底部設(shè)置少量框架裙房的建筑，結(jié)合工程實例，從裙房框架承擔(dān)底部傾覆力矩、框架柱與剪力墻內(nèi)力調(diào)整以及構(gòu)造措施等方面進行探討，得出以下結(jié)論，以供相同類型工程設(shè)計參考。

1）框架柱內(nèi)力無須按框架-剪力墻結(jié)構(gòu)進行內(nèi)力調(diào)整，宜對裙房范圍內(nèi)主樓剪力墻內(nèi)力按照重力荷載代表值放大倍數(shù)進行近似調(diào)整。

2）裙房框架抗震等級無須按框架剪力墻結(jié)構(gòu)確定，建議與主樓剪力墻相同抗震等級即可。

3）主裙樓連接部位宜采取合理的構(gòu)造加強措施，如避免錯層，加強樓板以保證水平力合理傳遞，設(shè)置沉降后澆帶，避免差異沉降等措施。