剪力墻結構高層住宅中電梯間偏置布置的探討

張 歡

上海市建工設計研究總院有限公司 上海 200235

當前的高層住宅類建筑，為了提高土地使用率，改善戶型朝向，比較多的一種設計是樓梯間、電梯間布置在建筑的北面，樓梯通過室外連廊連通，為滿足連廊與主體結構消防間距的要求，北側電梯間一般外凸尺寸較大。這就導致結構的剛度偏向北面。

此種結構布置存在的問題有如下2點：

1）樓梯間、電梯間剪力墻造成整體剛度偏移，且樓梯間、電梯間內部整板開洞，再加上與主體的連接較弱，剛度無法水平向傳遞，存在“虛剛”的問題，對結構抗震不利。

2）連廊在平面內以及平面外的結構剛度較弱，同樣對結構抗震不利。

1 剪力墻布置的2個要素

剪力墻布置的2個要素為數量和位置。

剪力墻的數量是決定整體結構抗側剛度的關鍵。當剪力墻的數量太少時，結構整體抗側剛度弱，遇到較大的側向力，比如罕遇地震時，結構整體不能夠滿足安全性和正常使用要求。有學者認為地震的作用非恒定值，與周期剛度有關，當剛度很小時，周期很長，地震作用效應小，相對位移小，此時的結構未必合理[1]。當剪力墻數量過多時，結構延性下降，自振周期減小，結構整體剛度大，較大的剛度導致較大的地震作用，結構內力因此增加，不僅造價較高，而且同樣不安全。

剪力墻布置的原則是：建筑周邊布置剪力墻較多，中間位置相對較少，墻肢盡量分布均勻，連梁連接剪力墻，形成整體，梁跨宜控制在5 m以內。

2 實例研究

某高層住宅地上27層，高78.5 m，剪力墻結構，嵌固端為地下室頂板（圖1）。抗震設防烈度7度，設計基本地震加速度為0.10g，Ⅳ類場地，設計地震分組為第一組，場地特征周期值0.65 s，風荷載取50年重現期基本風壓0.45 kN/ m2。

圖1 項目建筑結構平面示意

當凸出主體平面的樓梯間、電梯間合圍成筒體設計時，雖然樓梯間、電梯間內部整板開洞，但是對整體抗震來說，剪力墻傳力連續；樓梯間、電梯間與主體結構的連接部位，適當地布置豎向構件，確保復雜受力部位的強度。此種情況下可認為樓梯間、電梯間與主樓有可靠連接，計算結構高寬比的“等效寬度”可計入樓梯間、電梯間的尺寸，無需額外分析樓梯間、電梯間的“虛剛”問題。但是合圍成筒體時整體剛度偏移更大，且造成造價上的浪費，并不十分推薦。樓梯間、電梯間未合圍成筒時，則需要計算分析局部“虛剛”及樓梯間、電梯間墻體的穩定性問題；同時受限于建筑使用功能的需求，樓梯間、電梯間與主體結構連接較弱，計算結構的高寬比等效寬度不可計入樓梯間尺寸。

JGJ 3—2010《高層混凝土建筑結構技術規程》第3.3.2條規定，框架剪力墻結構體系最大高寬比不宜大于6。高層建筑的高寬比，是對結構剛度、整體穩定、承載能力和經濟合理性的宏觀控制。在復雜結構的高層建筑中，如何計算高寬比是比較難以確定的問題。一般情況下，可按所考慮方向的最小寬度計算高寬比，但對突出建筑物平面很小的局部結構（如樓梯間、電梯間等），一般不應包含在計算寬度內。對于不宜采用最小寬度計算高寬比的情況，應由設計人員根據實際情況確定合理的計算方法。建筑高寬比的確定，通常采用最小投影法、面積法、剛度法。對于樓梯間、電梯間剪力墻偏置情況下的高寬比，如若采用最小投影法，即計算建筑物的最小投影寬度，完全忽略了突出局部對于整體剛度的貢獻，太過于保守，造成經濟上的浪費。如采用面積法，使用反算面積相等的矩形來計算高寬比，需要標準層的剛度在平面內幾乎做到均勻布置，本項目剛度中心明顯偏置，顯然不適用。與本項目相似類型的住宅適合采用剛度法，根據結構力學的基本原理，采用等剛度原則進行寬度換算[2]，再進一步確定等效寬度，遵循客觀事實，具有較大的合理性。

本工程在設計中，已去除外凸樓梯間、電梯間剪力墻后復核結構高寬比以及結構位移指標。經復核，不考慮樓梯間、電梯間，樓層有效寬度為10.75 m，相應結構高寬比＝78.5/10.75＝5.75＜6，滿足規范的要求，不需要采用等剛度法折算建筑寬度。去除外凸樓梯間、電梯間剪力墻之后，結構位移指標也同時滿足規范要求。

建立3種計算模型結構進行計算，如圖2～圖4所示。其中：圖2為原結構計算模型；圖3為優化模型1，為將原結構北側樓梯間、電梯間的剪力墻刪除，用剛度較小的400 mm×400 mm框架柱代替，傳遞豎向荷載；圖4為優化模型2，為將與主樓連接相對較強的樓梯間剪力墻保留，與主體平面連接相對較弱的中間一個電梯間完全刪除，不參與計算[3]。計算采用盈建科YJKS 3.0.1版系列軟件。對比3個模型的計算，計算結果見如表1所示。

圖2 原結構計算模型

圖3 優化方案1

圖4 優化方案2

表1 3種模型結構計算結果

結構的剛度和位移存在反相關的函數關系，結構的剛度通過位移來體現，規范對于結構剛度的控制，主要是通過控制位移目標（地震和風荷載下的位移）得以實現。通過分析表1中數據可以看到，樓梯間、電梯間的剪力墻改成框架柱之后，結構剛度有所削弱，削弱值在10%左右。因此為保證結構整體的豎向剛度，相同類似住宅結構需保證y向位移角在1/1 150以上，不宜過度優化以確保整體剛度。

如圖5所示，對比原計算模型以及優化方案1可知，忽略樓梯間、電梯間剪力墻的剛度導致內力重新分布，其余位置剪力墻底部最大剪力增幅超過25%（用紅色標記）。可得到結論，在不考慮最外側剪力墻剛度計算時，如果整體抗側剛度不滿足規范的要求，那么首先補強紅色位置的墻體是比較合理的。

圖5 優化模型1的剪力墻底部最大剪力增幅超過25%

結構采用SATWE進行內力計算時，底部樓層樓梯間、電梯間局部墻肢呈現小偏拉受力形式，故在模型計算時，需補充計算小偏拉墻肢在中震下拉應力，當中震下墻肢拉應力小于混凝土軸心抗拉強度標準值時，可通過加強墻體配筋抵抗小震下的拉應力并復核墻肢裂縫。同類型建筑樓梯間、電梯間最外側墻肢拉應力通常會大于混凝土軸心抗拉強度標準值，因此設計過程中需要按照小偏拉墻肢產生裂縫不參與抵抗地震作用的情況下，使用改框架柱代替的小震模型進行配筋包絡設計。

3 長連廊中震彈性樓板應力分析

塔樓在北側2個樓電梯井筒間設置了開敞式走廊，走廊兩側均為開洞，連廊寬度為2 200 mm。考慮到長連廊樓板不利的影響，板厚取150 mm，樓板混凝土強度等級均為C30。本工程的樓板應力分析取地震力最大的15層的樓板應力，通過應力分布圖得出樓板受力集中于相對薄弱的部位，為樓板的構造加強提供依據。分析了設防地震荷載組合1.2倍重力荷載+1.3水平地震作用標準值下的樓板應力，如圖6所示。

圖6 15層樓板應力等值線

由圖6可知，樓板普遍應力值小于5.0 MPa，局部出現最大樓板拉應力值為10.2 MPa，采用φ10 mm@150 mm雙層雙向局部附加φ16 mm@150 mm，則每延米抗拉應力設計值為1 342 kN，最大樓板拉應力對應的樓板每延米應力設計值為1 315 kN＜1 342 kN，從而保證在設防地震作用下的鋼筋彈性。另外需注意，連廊邊梁底部鋼筋在中震彈性計算下增加較大。綜上所述，連廊的邊梁、樓板的加強措施為：采用薄弱部位鋼筋加強的方式，從而保證在連廊設防地震作用下鋼筋彈性，同時與連廊相連的周邊構件按照有無連廊，分別進行配筋的包絡設計，連廊以及相鄰一跨的樓板，板厚加大150 mm，連廊邊梁連續伸入主體結構，形成連續梁。

4 結語

隨著社會經濟的發展，高層住宅建筑的形式也在不斷翻新，為做好高層住宅的結構設計，需要關注如下幾個方面：

1）控制高寬比、選取合理的結構體系。高層建筑的高寬比是對結構剛度、整體穩定、承載能力和經濟合理性的宏觀控制，控制高寬比是結構體系合理的前提。

2）提供足夠的安全儲備，保證實現抗震設計的三水準設防要求。本項目尤其需要控制結構側向剛度的富余量，保證在樓梯間、電梯間最外側剪力墻退出計算情況下，剩余結構強度能滿足抗震要求。

3）良好的經濟性指標。結構設計中，平面的合理布置和構造措施尤為關鍵，是實現經濟性的重要手段。對于建設單位來說，良好的經濟性是評判結構體系是否合理的主要指標。

本文通過實際工程分析研究了高層剪力墻住宅電梯間偏置布置時，應考慮的因素以及設計過程中采用的具體辦法，對剪力墻布置和連廊設置需要注意的問題做了詳盡的論述，可作為今后類似建筑設計過程中的參考。