上海某剪力墻高層住宅的結構設計

張 宇

1 工程概況

上海某住宅小區位于御橋居住區規劃五街坊內，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號住宅樓地上23層，層高2.80 m，室內外高差0.45 m，室外地坪至主體結構檐口的高度為64.85 m，基礎埋深為3.65 m。由于平面超長(49.25 m＞45 m)，故設置伸縮縫將結構分為兩個獨立的單元進行設計。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，符合規范要求;建筑立面無收進凸出;故屬于平面及立面均規則的高層建筑。

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

2 地基基礎設計

工程地質報告提供的地基土層分布情況及物理力學特性見表1。場地的地震基本烈度為7度，由于在15.0 m深度范圍內無成層連續分布的飽和砂性土和砂質粉土存在，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特性

上海地區為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，經過充分的技術經濟分析比較，決定選用預應力高強混凝土管樁(代號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計值Ra=2 560 kN。室內地面設計標高±0.000相當于結構標高4.650 m(吳淞高程)。

本工程在初步設計階段，曾設置有一層地下室，層高為3.3 m。在施工圖階段，由于業主一再要求建筑功能不需要地下室，故建筑不設地下室，而結構設計時基礎埋深仍取3.65 m(室外地坪至承臺底)，以滿足《高規》第12.1.7條2款H/18的埋深要求。

樁基承臺采用墻下條形承臺，單排布樁。因為上部結構為剪力墻，且荷載分布較為均勻，故所有管樁均布置在墻下，基礎梁截面取700×800(b×h)，鋼筋按構造配置。基礎沉降計算采用上海同濟啟明星樁基設計計算軟件Pile2006，按常規樁基的Mindlin應力法單向縮分層總和法計算，經計算樁基的平均沉降量估算值為48.3 mm，符合有關規范要求。

經三維空間設計分析軟件驗算，結構的整體穩定和抗傾覆能力均能滿足要求。為了進一步保證基礎對上部結構的嵌固作用，設計中還采取了如下加強措施:1)樁筋錨入承臺梁內40d，以保證基礎對上部結構的嵌固作用和整體作用;2)底板與護坡樁之間采用C10素混凝土灌實，加強側限以提高結構穩定性和基礎的抗滑能力。

3 上部結構設計與計算

3.1 結構體系及設計參數

由于15號樓建筑平面長度為49.45 m(超出現澆剪力墻結構溫度伸縮縫的長度限值)，故在平面中部設置250 mm寬的伸縮縫(同時滿足抗震縫的寬度要求)，將整個結構分為左右兩個對稱的平面。結構整體計算采用中國建筑科學研究院開發的PKPM軟件中的SATWE(高層版)模塊，并采用PMSAP做補充計算;位移參數控制計算時采用離散模型，內力配筋計算時采用整體模型。

15號樓采用剪力墻結構;考慮抹灰粉刷層重量后，混凝土的重度取27 kN/m3;建筑抗震設防類別為丙類;地震設防烈度為7度;設計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;結構阻尼比為0.05;水平地震影響系數最大值為0.08;罕遇地震影響系數最大值為0.5;修正后基本風壓為0.60 kN/m2(取100年一遇)，地面粗糙度為B類，結構體形系數為1.3。地震力按x，y兩個方向計算，同時考慮扭轉耦聯;風荷載按x，y兩個方向計算;恒、活荷載分開計算;恒載按模擬施工1加載;柱、墻、基礎設計時活載按樓層折減;周期折減系數取0.95;計算取15個振型;連梁剛度折減系數取0.7;梁端負彎矩調幅系數為0.85;中梁剛度放大系數為2;梁扭矩折減系數為0.4;地震力的分項系數為1.2，風荷載的分項系數為1.4，恒荷載的分項系數為1.2，活荷載的分項系數為1.4。墻元細分中殼元最大控制邊長為2.0 m;底部加強部位從基頂至8.38 m(層4樓面處)。

樓板的概念設計對結構剛度的實現起著舉足輕重的作用，在保證結構平面整體性的同時盡可能減小板厚，降低自重的不利影響。標準層一般樓板厚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，設置通長鋼筋并將配筋加強，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。外墻轉角處尚應設置放射形鋼筋，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，以增加樓板平面內的剛度;在結構整體計算時，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，故在凹槽處隔層設置截面200×300連梁，并在凹槽內側設置1.2 m寬120厚的拉結板帶，使結構計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構整體剛度起決定性作用:結構剛度大，使得地震作用構件的尺寸和配筋加大，造成浪費;結構剛度小，會使結構在正常使用條件下的位移偏大，影響承載力、穩定性和使用。

在工程的初步設計階段，筆者就從“概念設計”出發，合理布置結構構件，既要滿足安全度要求，又要使結構具備一定的延性，達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果

3.2 電算分析結果及判斷

電算分析采用三維空間有限元SATWE程序，PMSAP程序做補充計算;計算時考慮扭轉耦聯和偶然偏心影響，結構振型數取15個，按《高規》要求分別對正交(xoy坐標系)方向進行多遇水平地震作用下內力和變形分析，計算結果見表2。

將SATWE電算結果與PMSAP電算結果相比較，兩個程序分析的結構自振周期相近，第一、二主振型均為平動振型;兩種程序分析的結構最大層間位移也相近，發生的層號相同;PMSAP分析的層間位移還略大于SATWE分析結果，與兩種程序分析的結構自振周期分別相符。

由表2可知，結構在地震和風荷載作用下位移值均在規范要求的限值內，并且以扭轉為主的第三振型周期T3與以側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，說明結構的質量與剛度分布不均勻、不對稱，此時應考慮計算“雙向地震”作用的情況。根據SATWE的用戶手冊，當同時勾選“偶然偏心”和“雙向地震”作用后，程序按兩者不利情況進行設計，并非疊加設計，故按同時勾選“偶然偏心”和“雙向地震”再算一次，并按此結果進行配筋。

經過兩種程序的分析和對比，15號樓抗震設計的各項主要計算數據均可滿足規范的要求。

對于本工程存在的少量短肢剪力墻構件，根據文獻［2］，不必遵守《高規》第7.1.2條規定。由于《高規》表7.2.14未給出三級抗震時剪力墻的軸壓比，在此筆者建議按0.7控制，以增加結構延性，改善結構的變形能力。

4 結語

建筑結構應避免出現以扭轉為主要成分的主振型結構，當出現時應調整結構剛度，即提高抗扭剛度，降低側移剛度或同時調整結構質量分布。

對這類結構建議采用兩種以上三維空間有限元計算程序分析，應計算雙向水平地震作用效應并計及扭轉影響，選取足夠的振型，使振型參與質量不小于90%，并應對各種程序的計算結果進行對比分析，必要時應再次調整結構布置，使計算的內力和變形等數據能滿足建筑抗震設計規范的要求。在施工圖設計時提高抗震構造措施，可采取以下措施:

1)根據結構的重要性和動力特性提高結構抗震等級;

2)嚴格控制剪力墻(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，將約束邊緣構件的層數增加若干層;

4)適度增加樓面剛度，使其符合平面內無限剛假定，增加板內配筋率，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程分析，校核結構的內力和變形。

［1］ JGJ 3-2002，高層建筑混凝土結構技術規程［S］.

［2］ GB 50010-2010，混凝土結構設計規范［S］.

［3］ GB 50011-2010，建筑設計抗震規范［S］.

［4］ 上海市地方標準，建筑抗震設計規程［S］.