高烈度區高層建筑結構方案探析

黎虎

(上海市政工程設計研究總院集團第六設計院有限公司,安徽 合肥230000)

隨著經濟的發展，各地的高層建筑數量與日俱增、規模不斷擴大，高層建筑平面布置和立面造型又千差萬別，作為結構設計人員，對于7度及其以下設防的高層建筑結構設計可能有一定的經驗，但高烈度區的又有什么不同，難點在哪，有什么好的應對措施，這些都是設計人員將要面對的新課題，本文以具體真實案例進行詳細的分解、闡述和說明。

1 工程概況

本工程案例位于山東省聊城市莘縣，建筑物為高層住宅，地上18層，總高度52.20 米，層高2.9 米，地下室為兩層儲藏室，層高為2.95 米+2.90 米，主樓地下室外周邊與一層地下車庫相連接。本地區基本抗震設防烈度為8度，設計地震分組第二組，地震加速度為0.20 g，依據本工程地質勘察報告，其場地類別為Ⅲ類，基本風壓0.45 kN/m2（50年一遇），基本雪壓0.35 kN/m（50年一遇）。結構形式為剪力墻結構，抗震等級為二級，墻體材料為蒸壓砂加氣混凝土砌塊。

2 結構布置

建筑標準層布置見圖1，本戶型為四戶95.0 平方，兩部電梯位置均設置在北側，中間一部樓梯，設置連廊連接兩邊，北側中部為天井開大洞。

圖1

結合建筑平面各項功能房間布置，進行結構整體布置，包括剪力墻、框架梁、連梁、次梁、板布置等。

剪力墻、框架梁和連梁布置，第一輪，首選布置一般剪力墻，先按常規7度區高層建筑設計的經驗，在建筑物兩端部及中間隔開間設置剪力墻，電梯間、樓梯間設置剪力墻，剪力墻肢長基本在2.0 米左右，框架梁梁高按常規1/12L跨高比取值。經初步計算發現，《建筑抗震設計規范》GB 50011（以下簡稱《抗規》）規定的彈性層間位移角限值1/1000的要求遠遠滿足不了，特別是中部的樓層，經過不斷的試算，不斷調整剪力墻長度、位置、數量，得出第一版能滿足此條要求的剪力墻布置，基本每個房間兩邊均需要設置剪力墻，而且剪力墻多數都很長，對應梁截面均不大，基本沒有連梁，樓層整體和構件其他指標均能滿足《抗規》、《高層建筑混凝土結構技術規范》JGJ 3（以下簡稱《高規》）要求，但整體來看，剪力墻數量較多，基本就沒剩下多少是磚墻了，經濟指標很不樂觀。

第二輪，保持建筑物兩端部、電梯間、樓梯間剪力墻不變，嘗試隔一開間設置剪力墻，減少剪力墻數量，在不影響建筑門、窗洞口布置的前提下，采用盡可能增加框架梁及連梁梁高的方法增加整體側向剛度。調整完畢后，剪力墻數量減少了約25%，效果明顯，但同時又出現新問題，框架梁和連梁截面多數都很大，標準層Y向幾道連接長肢剪力墻的連梁高需要增加到1.2 m，標準層X向外周邊幾道大梁梁高需要增加到1.0 m，梁高過高，也不符合抗震設計的強柱弱梁理念。

第三輪，轉換思路，梁截面過大，就采用增加剪力墻來降低梁跨、變單跨梁為多跨梁，結構側向剛度變化不大；增加的剪力墻采用短肢剪力墻，因后增加的短肢剪力墻數量不多，也不會導致結構整體變為短肢剪力墻較多的結構體系。

主要結構構件確定后，再依據建筑平面上墻體布置設置次梁，并按計算結果確定梁高。局部短墻下可不設次梁，在板底設置加強筋，模型計算中可在板上對應位置輸入樓面線載處理。樓面板板厚的確定，除了滿足規范和計算外，還要符合當地住宅質量通病防治措施（山東省和聊城市均有）的相關要求，樓面板板厚不宜小于100，板內有交叉管線的板厚不宜小于120；板跨大于4.2 m的板厚不宜小于120；樓面開洞洞口周邊板厚應加強，其板厚不宜小于120；連廊和樓梯間處，樓面板有效寬度基本接近2.0 m的最小限值，又因天井開大洞，此處樓面板應加強，其板厚取150；屋面板板厚不宜小于120。

本工程上部結構的嵌固端位置為地下室頂板，地下室頂板板厚取值180；依據《高規》和《抗規》要求，地下一層與相鄰上層的樓層側向剛度比不宜小于2.0 ，此時的地下室一層側向剛度計算可計入外周邊車庫結構的有利作用，本工程取相鄰兩跨框架并入計算。

最終定稿結構方案布置見圖1，剪力墻數量適量、布置較均勻，X向、Y向梁高基本在800以內，延性較好；結構雙向側向剛度較均勻，剛心與質心偏心不大，結構最大位移比和最大層間位移比均不大于1.20 ；結構自振周期扭轉周期比為0.84 <0.90 ；最大彈性層間位移角，X向為1/1006，Y向為1/1004；其它指標均能滿足要求。整樓的主要工程材料鋼筋、砼對應的每平方含量指標均略低于當地同類型高層的指標平均值，經濟指標合理。

3 經驗總結

高烈度區高層建筑的結構設計，整體指標上，最大的難點是彈性層間位移角限值和構件剪壓比很難滿足要求，而且很難同時滿足，甚至可能是互為矛盾，究其根本原因還是由于高烈度區地震作用水平力過大引起的。

彈性層間位移角限值控制是一大難題，解決的方法就是增加結構整體抗側力剛度。盡量充分利用在同一軸線上的剪力墻和連梁（或框架梁），形成多跨或至少單跨框架，整體側向剛度增加幅度大；在不影響建筑功能使用的前提下，可在局部設置截面較大的連梁來增加側向剛度；南北側外墻，因受建筑門、窗布置影響，剪力墻布置位置受限，應盡量滿布剪力墻翼墻至門窗洞口邊，充分利用有限的空間，增加X向側向剛度；在梁高受限，或梁高經計算需要很大（如梁高1.0 米以上），可考慮增設部分短肢剪力墻來減小梁跨度，降低梁高，當然，短肢剪力墻不能過多，不能超過《高規》規定的要求（第7.1.8 條），否側整體結構方案有本質的變化，變為具有較多短肢剪力墻的結構體系，本身就是抗震不利的。提醒下，模型計算時，應勾計算地震位移時不考慮連梁剛度折減項，否側此項指標更難滿足要求，此做法符合《抗規》第6.2.13 條要求。同一方向的各軸線上的剛度盡量接近，特別是外周邊的，比如X向的南北兩側；細致的模型試算就會發現，在其它結構構件布置不變的情況下，單獨調整X向南側或北側的梁高，有的標準層梁高增加100，對整體彈性層間位移角控制貢獻較大且明顯，而有的標準層梁高增加100～300對整體彈性層間位移角控制都沒有多大貢獻，甚至局部的梁增加反而起反向作用。

剪壓比的調整是另外一大難點，解決的方法就是相應的或者相對的減少構件剪力。剪力墻的剪壓比和梁的剪壓比超限，絕不能單一的認為增加構件尺寸和截面就可以解決，往往是越增加剪力墻長度，越增加梁高，該處的側向剛度在整體剛度中所占比重越大，其剪壓比依舊不能解決，甚至是越增越嚴重，反而是需要降低此處側向剛度來達到目的。另外一個方法就是增加構件寬度，一般剪力墻結構，剪力墻厚度基本都是200，增加剪力墻厚度，會相應減少住戶戶內的使用面積；加大梁寬，住戶戶內房間頂部會有向內突出的梁線，影響使用效果，一般不輕易采用增加構件寬度的方法來解決剪壓比問題。還有一個方法就是提高構件的砼強度等級，模型調整到最后，一般都是個別樓層的極少數構件的剪壓比超限難解決，因個別構件的因素而調整整層結構構件的砼強度等級，不經濟，也不合理。連梁的剪壓比超限，有條件的可以調整梁的跨度，一般連梁跨度不小于2.0 米為宜，否側跨度越小，越容易出現此問題，連梁兩邊的剪力墻墻肢長度要合理，要留給連梁合理的跨度。連梁的剪壓比超限還可以采用開縫連梁（或雙連梁）的方式來解決，開縫即在原有大截面連梁中部設置一道水平貫通的縫，縫寬20～30，使此連梁變為兩道梁，降低原來的連梁剛度，構件吸收的地震作用相應就會減少從而解決剪壓比超限問題；當然開縫后，結構的整體側向剛度會降低，需要再次調整模型。

彈性層間位移角限值和構件剪壓比同時滿足是最大難點，為了滿足降低彈性層間位移角，必須增加結構整體側向剛度，在建筑平面布置的有限條件下，對應的措施往往需要增加剪力墻長度、加大梁高，但這些措施一旦過量就極其容易引發連梁及剪力墻剪壓比超限；結構模型的調整需要耐心、細致，找對方向，方法得當，才能找到滿足要求的平衡點。

除上述難點以外，其它方面也應引起重視：

盡量不要布置與剪力墻墻肢垂直相連接的梁，住宅剪力墻一般墻厚為200，次梁與剪力墻相交的位置墻厚僅為200，梁縱筋在墻內的錨固長度很難滿足要求，最好采用直徑14mm以下的縱筋，否則梁縱筋的錨固要另外措施其他可靠的措施，如增設焊接短筋等。若不可避免，也應盡可能在梁端設置凈長度不小于400的剪力墻翼墻，以便提供給梁縱筋足夠的錨固區域。

樓面梁、單邊次梁不宜支承在剪力墻的連梁上，會對連梁產生扭轉效應，應盡量避免。樓面框架梁、主受力次梁不能支承在剪力墻的連梁上；樓面小截面次梁支承在連梁上，次梁端部可以按鉸接計算。

地震作用效應計算時，可對剪力墻連梁剛度進行折減，一般6、7度是可以取0.70 ，當8、9度時可取0.60 ～0.50 ，最低0.50 ，以保證連梁承受豎向荷載的能力；剛度折減緩解了連梁因彎矩、剪力大，配筋困難的問題。

4 結論

高烈度區高層建筑結構設計，結構整體方案要合理，要明確其重點和難點，要知道其形成的機理，對癥下藥，模型試算要細致，其調整要有明確的方向，才能達到結構設計安全、經濟、合理的效果。