某小高層住宅不同剪力墻布置方案比較及經(jīng)濟性分析

李輝

（南京華升卓越結(jié)構(gòu)設(shè)計事務(wù)所有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

剪力墻結(jié)構(gòu)是高層住宅普遍采用的結(jié)構(gòu)體系。對于層數(shù)較多的高層住宅，由于底層墻肢軸壓比很難滿足規(guī)范軸壓比的要求，所以在住宅南側(cè)，基本每個Y 向分隔墻都要布置剪力墻。但是對于小高層而言，可以去掉一些Y 向剪力墻，其余墻肢的軸壓比可以通過拉長剪力墻以及提高混凝土強度等級的方式來滿足。也有一些開發(fā)商，想合理控制預(yù)制裝配率，增加一些框架柱，使結(jié)構(gòu)體系變成框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。本文以實際工程為例，結(jié)合相關(guān)規(guī)范，對小高層住宅采用不同的剪力墻布置方案，比較分析不同布置方案下的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，并進行經(jīng)濟性分析，對小高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計有一定的應(yīng)用價值[1]。

1 工程概況

江蘇省鎮(zhèn)江市某小高層住宅，建筑標準層平面圖如圖1 所示，建筑物平面尺寸為55.4m×14.65m，地上11 層，地下1 層，標準層層高2.9m，房屋高度31.84m。

圖1 標準層平面

該工程設(shè)計使用年限50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級。該工程所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，設(shè)計地震分組為第一組，設(shè)計基本地震加速度為0.1g，建筑的場地類別為Ⅱ類，地面粗糙度為B 類，設(shè)計基本風壓為0.4kN/m2。

2 剪力墻布置方案

結(jié)構(gòu)方案一：“多墻”剪力墻結(jié)構(gòu)。C~E 軸住宅南側(cè)，每個Y 向分隔墻均布置剪力墻，如圖2 所示。C~E軸剪力墻長度均取為1650mm。地下室及1~3 層墻柱混凝土強度等級取為C35，4 層以上墻柱混凝土強度取為C30。剪力墻抗震等級為三級。

圖2 結(jié)構(gòu)方案一平面

結(jié)構(gòu)方案二：“少墻”剪力墻結(jié)構(gòu)。在方案一的基礎(chǔ)上，去掉 C~E 軸住宅南側(cè) 3 軸、6 軸、10 軸、13 軸的剪力墻，南側(cè)8 軸剪力墻長度改為1700mm，其余墻長增加至2000mm，如圖3 所示。地下室及1~3 層墻柱混凝土強度等級取為C45，4~5 層墻柱混凝土強度等級取為C40，6~7 層墻柱混凝土強度等級取為C35，8 層以上墻柱混凝土強度取為C30。剪力墻抗震等級為三級。

圖3 結(jié)構(gòu)方案二平面

結(jié)構(gòu)方案三：框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。在方案二的基礎(chǔ)上，將樓電梯間部分剪力墻改成框架柱，如圖4 所示。抗震設(shè)計時，在規(guī)定的水平力作用下，使得結(jié)構(gòu)底層框架部分承受的地震傾覆力矩大于結(jié)構(gòu)總傾覆力矩的10%，但不大于50%。墻柱混凝土強度等級同結(jié)構(gòu)方案二。此時框架抗震等級為三級，剪力墻抗震等級為二級。

圖4 結(jié)構(gòu)方案三平面

3 計算結(jié)果對比

本工程采用盈建科建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件YJK3.1.0 進行計算分析。其中方案三底層框架部分承受的地震傾覆力矩與總地震傾覆力矩的比值，X 方向為18.6%，Y方向為11%，滿足框架-剪力墻的結(jié)構(gòu)形式。下文從軸壓比、周期、位移角和位移比4 個方面對這3 種結(jié)構(gòu)方案進行分析，得出在不同剪力墻布置形式下的計算結(jié)果。

3.1 軸壓比

三種結(jié)構(gòu)方案的底層墻柱最大軸壓比如表1 所示。根據(jù)《高規(guī)》，方案一方案二的剪力墻肢軸壓比限值為0.6，方案三框架柱軸壓比限值為0.9，剪力墻肢軸壓比限值為0.6。

表1 底層墻柱最大軸壓比

由表1 可知，方案一南側(cè)剪力墻較多，比較容易滿足規(guī)范軸壓比的要求[2]。與方案一相比，方案二和方案三在去掉一些剪力墻之后通過提高混凝土強度等級以及拉長剪力墻，也可以滿足規(guī)范軸壓比的要求。

3.2 周期計算結(jié)果

取前三個振型，三種方案的周期和平動系數(shù)的計算結(jié)果如表2 所示。根據(jù)《高規(guī)》，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比，A 級高度高層建筑不應(yīng)大于0.9，各振型參與質(zhì)量之和不小于總質(zhì)量的90%。

表2 前三個振型的周期和平動、扭轉(zhuǎn)系數(shù)

方案一的X、Y 向平動振型參與質(zhì)量系數(shù)總計為94.54%和90.71%，第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期的比值Tt/T1=0.76；方案二的X、Y 向平動振型參與質(zhì)量系數(shù)總計為94.24%和90.67%，第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期的比值Tt/T1=0.65；方案三的X、Y 向平動振型參與質(zhì)量系數(shù)總計為94.26%和90.72%，第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期的比值Tt/T1=0.65。三種方案參與質(zhì)量之和以及周期比均滿足規(guī)范的要求。由表2 可知，三種方案振型均比較規(guī)則，滿足“平動-平動-扭轉(zhuǎn)”的振型特點，且方案二和方案三的周期基本一致。

僅比較方案二和方案一，方案二的第一振型周期增加了16.58%，第二振型周期增加了2.65%，可以看出，方案二X 方向的剛度降低較多，Y 方向剛度降低很少，說明 3、6、10、13 軸布置剪力墻，對 Y 方向的剛度貢獻不大，幾乎與拉長南側(cè)其余墻肢長度的模型剛度一致，因此在這四個軸布置剪力墻效果不大。相較于方案一，方案二第三振型周期減少了0.52%，抗扭剛度基本不變，說明在3、6、10、13 軸布置剪力墻對結(jié)構(gòu)抗扭剛度基本沒有貢獻。從周期比來看，模型二周期比更小，抗扭剛度與抗側(cè)剛度的比值就越大，結(jié)構(gòu)抗扭效果越大[3]，說明去掉3、6、10、13 軸的剪力墻，結(jié)構(gòu)抗扭效果反而得到了提高，對結(jié)構(gòu)更加有利。因此可以判斷，在住宅南側(cè)這四個軸布置剪力墻，會使得建筑南側(cè)北側(cè)剛度相差較大，去掉這四個軸的剪力墻更加合理。

3.3 層間位移角

最大層間位移角如表3 所示。根據(jù)《高規(guī)》，剪力墻結(jié)構(gòu)層間位移角限值為1/1000，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)層間位移角限值為1/800。

表3 層間位移角

由表3 可知，三種方案均滿足層間位移角的要求，各方案兩個方向最大層間位移角與規(guī)范限值的比值，方案一為79.62%、65.23%，方案二為84.6%、61.39%，方案三為75.4%、54.31%。可以看出，方案二更加接近規(guī)范限值，剪力墻的布置更加合理，方案三相比方案二層間位移角略有增大，但是更容易滿足規(guī)范層間位移角的要求。方案一3、6、10、13 軸布置剪力墻對Y 向?qū)娱g位移角的限制作用很小。

3.4 扭轉(zhuǎn)位移比

最大位移比和最大層間位移比如表4 所示。根據(jù)《高規(guī)》，不宜大于該樓層平均值的1.2 倍，不應(yīng)大于該樓層平均值的1.5 倍。

表4 最大位移比和最大層間位移比

由表4 可知，三種方案均滿足規(guī)范要求，且基本接近。

4 經(jīng)濟性分析

4.1 混凝土用量

三種方案的混凝土用量如表5 所示。

表5 混凝土用量統(tǒng)計

相較于方案二，方案一的混凝土用量增加了4.71%，方案三的混凝土用量減小了0.906%，方案二和方案三混凝土用量基本一致，方案一的經(jīng)濟性最差，不利于節(jié)約工程造價。

4.2 鋼筋用量

三種方案的單位用鋼量如表6 所示。

表6 鋼筋用量統(tǒng)計

相較于方案二，方案一的單位鋼筋用量減小了0.602%，方案三的單位用鋼量增加了4.146%，方案一和方案二用鋼量基本一致，方案三的經(jīng)濟性最差，不利于節(jié)約工程造價。

5 結(jié)語

本文結(jié)合具體工程實例，對小高層住宅的剪力墻布置提出了三種方案，這三種方案是結(jié)構(gòu)設(shè)計人員經(jīng)常遇到的情況。通過結(jié)構(gòu)計算軟件對抗震計算結(jié)果的比較以及經(jīng)濟性分析，得出了以下結(jié)論。

（1）應(yīng)盡可能采用“少墻”剪力墻而非“多墻”剪力墻的布置形式。在建筑南側(cè)增加過多的剪力墻，對建筑的Y 向側(cè)向剛度貢獻不大，且容易使得建筑南北兩側(cè)剛度相差較大，對結(jié)構(gòu)抗扭會產(chǎn)生不利影響。同時，“少墻”剪力墻在經(jīng)濟性方面也更占優(yōu)勢。

（2）框架-剪力墻在抗震性能方面與“少墻”剪力墻十分接近，但由于剪力墻抗震等級的提高，會在建造經(jīng)濟成本方面有所增加。同時，框架柱會占用使用空間，在建筑平面的空間利用率上面明顯弱于“少墻”剪力墻[4]。近些年來，開放商為了合理控制預(yù)制裝配率而使用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，框架柱在對建筑功能影響較小的情況下，也不失為一種選擇。