徐書晨
(中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院,濟南 250022)
濟南鐵路局經(jīng)十路職工高層住宅項目為鐵路局安居重點工程,總建筑面積91 800 m2,包括4棟高層住宅、地下車庫及幼兒園等。其中1號樓地上26層,地下2層,地上總高76.4 m,2~4號樓地上20層,地下1層,地上總高59.6 m,層高2.8 m。
高層住宅采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)形式,抗震設防烈度為6度,基本加速度0.05g,設計分組為第3組,抗震等級為4級。剪力墻、梁、板混凝土強度等級底部加強區(qū)為C40,其他為C35,基礎采用鋼筋混凝土樁筏結(jié)構(gòu),基礎混凝土強度等級為C40。見圖1。
剪力墻結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代高層建筑中常用的結(jié)構(gòu)形式之一,以建筑物墻體作為豎向承重和抗側(cè)力構(gòu)件,是一種能較好抵抗側(cè)向力的結(jié)構(gòu)體系。其平面布置宜遵循分散、對稱、雙向布置的原則,應均勻布置在建筑物周邊、樓梯間、電梯間、平面形狀變化較大部位,間距不宜過大。縱橫向剪力墻宜組成“L”形、“T”形等形式貫通建筑物全高,避免一字形墻體。
本工程地下二層外墻厚度為300 mm,內(nèi)墻厚度為250 mm;地下一層外墻厚度為250 mm,內(nèi)墻厚度為200 mm;地上墻體厚度為200 mm。電梯間四周布置剪力墻,一般墻肢長度大于8倍墻體厚度并設置翼緣。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術規(guī)程》(JGJ3—2010)(以下簡稱《高規(guī)》)第 4.2.2條,1號樓主體高度74.9 m,屬于對風荷載比較敏感的高層建筑,基本風壓按1.1倍采用,取值為0.5 kN/m2,剪力墻布置時,分戶之間增設貫通剪力墻,以增強水平抗側(cè)力能力。
圖1 高層住宅小區(qū)效果圖
圖2 1號樓標準層剪力墻布置(單位:mm)
剪力墻結(jié)構(gòu)是由一系列的豎向縱、橫墻和平面樓板組合在一起的空間盒子式結(jié)構(gòu)體系。它所承受的荷載除樓板傳來的豎向荷載外,還有水平作用的地震荷載及風荷載。
本工程采用PKPM-SATWE結(jié)構(gòu)空間有限元設計軟件進行設計,剪力墻輸入主要有2種方式,一是按墻肢輸入,墻肢之間設鋼筋混凝土梁;另一種是直接輸入整片墻,然后在墻體開洞。經(jīng)設計比較,采用第一種輸入方式更直觀真實,墻肢間跨高比不小于5的鋼筋混凝土梁按框架梁設計,跨高比小于5的按連梁設計,即在模塊“特殊構(gòu)件”里定義為兩端鉸接,僅貫通剪力墻按照剪力墻開洞輸入。
與剪力墻相連的梁稱為連梁。連梁具有跨度小、截面大等特點,作為一種耗能構(gòu)件,連梁對承擔豎向荷載下的彎矩所占比例較小,在水平荷載作用下容易出現(xiàn)剪切裂縫。因此,在豎向荷載作用下,連梁剛度不宜折減,連梁支座彎矩的降低可通過支座彎矩調(diào)幅來解決;在水平荷載作用下,連梁剛度可以折減,當風荷載作用時,折減系數(shù)不宜小于0.8。
在本工程設計中,地震烈度為6度,為受風荷載控制的高層建筑,對連梁采取剛度折減后,個別連梁仍出現(xiàn)正截面受彎承載力或斜截面受剪承載力不足的現(xiàn)象,采取了以下措施:增加剪力墻的厚度,即增加連梁截面的寬度,以提高連梁的截面承載力;增加剪力墻數(shù)量,以減少每片墻承擔的水平力;加大洞口,以增加連梁的跨度;減小連梁的截面高度,以降低連梁的剛度等措施,使連梁內(nèi)力符合截面設計的要求。
根據(jù)規(guī)范要求,以1號樓為例,計算結(jié)果控制主要有以下方面。
(1)規(guī)則性判斷:1號樓總長78.5 m,寬度最小處為 8.3 m,L/B=78.5/8.3=9.4>6.0,為細腰形平面,根據(jù)《高規(guī)》第3.4.3條判定為平面不規(guī)則,據(jù)《抗規(guī)》第5.1.1條,應計入雙向地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響。
(2)整體穩(wěn)定控制:根據(jù)整體穩(wěn)定及抗傾覆計算結(jié)果,按照《高規(guī)》第5.4.4條判斷整體穩(wěn)定是否滿足要求。1號樓X向剛重比4.72,Y向剛重比3.71,大于1.4,滿足整體穩(wěn)定要求。
(3)剛度比控制:根據(jù)《高規(guī)》第3.5.2條,樓層側(cè)向剛度不宜小于相鄰上部樓層側(cè)向剛度的70%或其上相鄰三層側(cè)向剛度平均值的80%,可通過結(jié)構(gòu)設計軟件PKPM中的 SATWE模塊-“建筑結(jié)構(gòu)總信息”-“計算信息”中的 RatX1、RatY1(X,Y方向本層側(cè)移剛度與上一層相應側(cè)移剛度70%的比值或上三層平均側(cè)移剛度80%的比值中之較小者)是否大于1判定。本工程經(jīng)計算,每一層的側(cè)向剛度均滿足規(guī)范要求。
(4)嵌固端側(cè)向剛度比控制:本工程地下室頂板作為嵌固端,根據(jù)《高規(guī)》第5.3.7條,當?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)嵌固部位時,地下室結(jié)構(gòu)的樓層側(cè)向剛度不應小于相鄰上部結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度的2倍??赏ㄟ^SATWE模塊-“建筑結(jié)構(gòu)總信息”-“計算信息”中地下室頂板所在標準層的 RatX2,RatY2(X,Y方向本層側(cè)移剛度與上一層相應側(cè)移剛度比值)是否大于2判定。
(5)周期比控制:根據(jù)《高規(guī)》第3.4.5條,結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比不應大于0.9。1號樓扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期1.622 8 s,平動為主的第一自振周期2.416 9 s,比值0.67,滿足要求。
(6)位移比控制:根據(jù)《高規(guī)》第3.4.5條,在考慮偶然偏心影響的地震作用下,樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移不宜大于該樓層平均值的1.2倍,不應大于該樓層平均值的1.5倍。根據(jù)《高規(guī)》第3.7.3條,剪力墻結(jié)構(gòu)樓層層間最大位移與層高之比(即層間位移角)不應大于1/1 000。1號樓 Y+5%偶然偏心地震作用下,Y方向最大位移比為1.14,最大層間位移比為1.12,最大層間位移角為1/2 715,滿足要求。其他地震作用類同,可通過SATWE模塊-“位移輸出文件”進行判別。
本工程場地為適宜建造房屋的均勻地基,采用鉆孔灌注樁樁筏基礎,樁徑600 mm,樁長27 m,置于全風化輝長巖內(nèi),入巖深度不小于1 200 mm,單樁承載力特征值1 600 k N,筏板厚度1 200 mm,外挑長度1 000 mm,采用PKPM-JCCAD“樁筏、筏板有限元計算”。
本工程1號樓南側(cè)分戶之間平面有凹槽,凹入深度4.8 m,根據(jù)規(guī)范要求,當中央部分樓板有較大削弱時,應加強樓板以及連接部位墻體的構(gòu)造措施,設計時,在外伸段每隔3層在凹槽處設置連接板,如圖3所示,既能滿足結(jié)構(gòu)設計要求,又能滿足建筑采光及立面效果要求。
圖3 建筑平面形狀示意
考慮電梯井、樓梯間開洞對結(jié)構(gòu)的削弱影響,設計時將周邊樓板加厚至120 mm,并采用雙層雙向配筋等措施加強。
梁與墻在平面外相交時,主要有以下幾種處理方式:一是在梁支座處設扶壁柱或沿梁軸線方向布置剪力墻;二是將支座處改為鉸接;三是在支座處墻內(nèi)設型鋼或暗柱,提高支座處墻體剛度。本工程設計時采用的是第一種方法,利用建筑門垛作為墻體的扶壁柱,不出現(xiàn)“一”字形墻體。
后砌填充墻作為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件,不應忽視其構(gòu)造措施。填充墻應沿墻高每隔0.5 m配置2φ6 mm拉結(jié)鋼筋與剪力墻拉結(jié),每邊伸入墻內(nèi)不應少于500 mm。樓梯間、電梯間填充墻拉結(jié)筋通長設置;當墻長大于5 m時,墻頂與梁宜有拉結(jié);墻長超過層高2倍時,宜設置鋼筋混凝土構(gòu)造柱;墻高超過4 m時,墻體半高宜設置與端柱連接且全長貫通的鋼筋混凝土水平系梁。填充墻窗臺高程處,設置水平現(xiàn)澆鋼筋混凝土帶。填充墻轉(zhuǎn)角處及懸挑端,應設置鋼筋混凝土構(gòu)造柱。
根據(jù)施工工序,裙房在主樓施工完成后進行,利用此時間差,在主樓上部施工時,梁板澆至相鄰裙房第一跨的1/3跨度處,并甩出裙房的梁板鋼筋,并對主樓進行沉降觀測,待主樓封頂沉降穩(wěn)定后再澆筑裙房部分,減少因不均勻沉降引起的構(gòu)件開裂現(xiàn)象。
本工程1號樓水平向總長78.35 m,根據(jù)規(guī)范要求,現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)室內(nèi)伸縮縫最大間距45 m,地下室墻體室內(nèi)伸縮縫最大間距30 m,設計時采用上部結(jié)構(gòu)單元之間設置伸縮縫,地下結(jié)構(gòu)設置2道后澆帶的措施來解決剪力墻超長的問題。
目前,該項目主體結(jié)構(gòu)已全部竣工。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高,高層剪力墻結(jié)構(gòu)已成為住宅建筑主要結(jié)構(gòu)型式之一,結(jié)構(gòu)設計應首先從概念設計出發(fā),把握全局,具體設計時應綜合考慮多種因素,既要滿足建筑設計要求,達到預期的建筑效果,又要通過合理的結(jié)構(gòu)布置,精準的計算數(shù)據(jù),嚴格的設計把控達到設計的日臻完善。
[1]包世華,方鄂華.高層建筑結(jié)構(gòu)設計[M].2版.北京:清華大學出版社,1990(10).
[2]中華人民共和國.GB 50011—2010 建筑抗震設計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.
[3]中華人民共和國.JGJ 3—2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.
[4]田源.超長且平面、立面不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)的設計分析[J].鐵道標準設計,2010(5):106-108.
[5]常建梅.聯(lián)通如意機房樓結(jié)構(gòu)設計[J].鐵道標準設計,2006(5):75-76.
[6]姜學詩.剪力墻結(jié)構(gòu)設計中有關問題的探討[J].建筑結(jié)構(gòu),2003(12):17-20.
[7]唐意,嚴亞林,金新陽.高層建筑風荷載相干性研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2011(11):121-124.
[8]孫海濤,蒲曉琴,盧建宇.依力帕提.某高層住宅剪力墻設計與應用[J].建筑技術,2011(4):361-363.
[9]王志全.高層建筑剪力墻中的連梁設計[J].山西建筑,2007(31):79-80.
[10]賴伯舟.高層建筑樁筏基礎優(yōu)化設計的新思路[J].山西建筑,2007(2):114-115.