淺談高寬比超限高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（甘肅省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

居住空間的舒適性是人們追求的目標(biāo)，為了更好的通風(fēng)、采光等條件，薄型建筑出現(xiàn)得越來(lái)越多，這對(duì)于結(jié)構(gòu)工程師在房屋高寬比抗震性能研究和高寬比超限抗震加強(qiáng)措施方面的要求也越來(lái)越高。高寬比的控制不僅體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)性上，其限值也不是一個(gè)簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)性宏觀數(shù)據(jù)，而且與結(jié)構(gòu)整個(gè)體系的設(shè)計(jì)密不可分。鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)作為優(yōu)選的結(jié)構(gòu)型式之一，主要受力構(gòu)件剪力墻的設(shè)計(jì)不僅要遵循短肢剪力墻較少、外縱墻宜全部落地、確定合理抗震性能目標(biāo)的總體設(shè)計(jì)，還應(yīng)采取比規(guī)范、規(guī)程更嚴(yán)的抗震措施和抗震構(gòu)造措施，才能保證結(jié)構(gòu)在各個(gè)地震水準(zhǔn)下可靠的安全性和功能性。

1 規(guī)范要求

實(shí)際工程中常會(huì)遇到高寬比超限的結(jié)構(gòu)。當(dāng)8度區(qū)的高層板式建筑(住宅或酒店)進(jìn)深為14～16m時(shí)，只要結(jié)構(gòu)稍微有些設(shè)計(jì)高度，就會(huì)面臨高寬比超限問(wèn)題。高寬比是衡量結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度、整體穩(wěn)定性、抗傾覆能力、承載能力和經(jīng)濟(jì)合理性的一個(gè)宏觀指標(biāo)，可以對(duì)結(jié)構(gòu)形體的合理性作一個(gè)初步判斷。

《高層混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》）第3.3.2條對(duì)高層建筑最大高寬比的限值與結(jié)構(gòu)型式有關(guān)，不再區(qū)分A級(jí)高度和B級(jí)高度高層。目前來(lái)看，這個(gè)限值的經(jīng)濟(jì)性、合理性是經(jīng)過(guò)許多實(shí)際工程檢驗(yàn)認(rèn)可的。《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》（以下簡(jiǎn)稱《超限審查要點(diǎn)》）中雖未對(duì)高寬比有明確限值，但在實(shí)際的超限審查中會(huì)予以考慮。近年來(lái)，甘肅省超高層住宅建筑越來(lái)越多，針對(duì)這一情況，出臺(tái)了《甘肅省鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)高寬比超限抗震措施暫行規(guī)定》（以下簡(jiǎn)稱《暫行規(guī)定》），解決了房屋高寬比較大時(shí)設(shè)計(jì)人員無(wú)相應(yīng)的設(shè)計(jì)依據(jù)、采用的計(jì)算分析方法及措施差異較大、審查人員缺乏統(tǒng)一的定量審查標(biāo)注等問(wèn)題，就高寬比適用范圍、設(shè)計(jì)原則、總體設(shè)計(jì)、抗震驗(yàn)算、構(gòu)造措施提出了統(tǒng)一規(guī)定。同時(shí)，甘肅省超限高層建筑工程抗震設(shè)防審查專家委員會(huì)還編寫(xiě)了《板式超高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)高寬比超限抗震加強(qiáng)措施控制指標(biāo)表》，規(guī)定了高寬比范圍比2012年版《高規(guī)》限制大于1、小于4情況的抗震加強(qiáng)措施。這些舉措都為房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性提供了保障。

2 抗震計(jì)算要點(diǎn)

2.1 軸壓比

剪力墻結(jié)構(gòu)最大軸力往往集中在底層，而底層也是彎矩和剪力相對(duì)較大區(qū)域，這就導(dǎo)致高層剪力墻結(jié)構(gòu)的底部墻體在軸力、剪力、彎矩共同作用下更加危險(xiǎn)，需要嚴(yán)格控制此處軸壓比。軸壓比與剪力墻抗震性能有著密切的關(guān)系，當(dāng)其在一定程度增大時(shí)，會(huì)抑制墻體自身混凝土的開(kāi)裂，增強(qiáng)剪力墻的承載能力，是有利的，但是當(dāng)其超過(guò)一定界限時(shí)，墻體會(huì)因?yàn)椴牧现g的延性差距，反而降低了墻體的承載能力。軸力對(duì)剪力墻的承載力、延性、側(cè)向剛度、塑性鉸范圍影響很大，合理地確定軸壓比對(duì)控制剪力墻抗震性能非常重要。

《超限審查要點(diǎn)》中建議應(yīng)根據(jù)本地區(qū)烈度、結(jié)構(gòu)超限程度和構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中所處部位及其破壞影響的不同，分別規(guī)定合理的軸壓比限值，并嚴(yán)于規(guī)范要求?！稌盒幸?guī)定》中更是明確要求：嚴(yán)格控制外縱墻軸壓比，其限值應(yīng)比按《高規(guī)》表7.2.13對(duì)應(yīng)數(shù)值低0.1。

2.2 剪重比

剪重比規(guī)定了樓層的最小地震剪力，保障結(jié)構(gòu)的抗震性能，為后續(xù)地震傾覆力矩、構(gòu)件內(nèi)力、位移等計(jì)算的合理性提供了保障，增加了結(jié)構(gòu)的安全性。實(shí)際工程中，剪重比應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，否則，要么墻體設(shè)置不足，承擔(dān)地震力不夠，結(jié)構(gòu)安全性低，要么墻體過(guò)多，結(jié)構(gòu)剛度大，且不夠經(jīng)濟(jì)優(yōu)化。

《高規(guī)》規(guī)定了最小剪重比限值，然而高寬比較大的建筑很多是在一個(gè)方向由于空間等限制，存在兩個(gè)方向剪力墻布置不均的問(wèn)題，容易出現(xiàn)剪重比超限的情況。結(jié)構(gòu)布置是否合理以剪重比作為指標(biāo)之一，其他還有剛度比等。

2.3 名義拉應(yīng)力

在地震高烈度區(qū)，超限高層建筑結(jié)構(gòu)要驗(yàn)算中震作用對(duì)底部豎向構(gòu)件的拉壓影響，很可能出現(xiàn)部分墻肢受拉的情況。如果墻肢受到小偏心受拉，很可能此時(shí)拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，會(huì)導(dǎo)致剪力墻的抗剪承載能力下降，也就意味著該情況下的剪力墻抗側(cè)剛度降低，滯回能力急劇下降，形成脆性破壞，剪力墻會(huì)失去原有的設(shè)置意義。在中震作用下，需考慮結(jié)構(gòu)的剪力墻抗拉性能。為了避免中震作用下帶來(lái)的墻體受拉開(kāi)裂破壞，建議在剪力墻墻肢中加入一定量型鋼，這是經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證有效且實(shí)用的方法，保障結(jié)構(gòu)在中震作用下的抗震性能。

《超限高審查要點(diǎn)》規(guī)定：中震時(shí)出現(xiàn)小偏心受拉的混凝土構(gòu)件應(yīng)采取《高規(guī)》中規(guī)定的特一級(jí)抗震構(gòu)造措施，且控制雙向水平地震下墻肢全截面由軸向力產(chǎn)生的平均名義拉應(yīng)力在兩倍混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)。當(dāng)僅超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，可采取設(shè)置型鋼的措施來(lái)承擔(dān)拉力。

3 常用措施和計(jì)算方法

3.1 結(jié)構(gòu)布置和構(gòu)造措施

多遇地震下的彈性層間位移角限值和罕遇地震下的彈塑性層間位移角限值設(shè)置均嚴(yán)于規(guī)范，增加橫向兩端部墻體長(zhǎng)度并形成連肢墻，使得整體結(jié)構(gòu)有較大的橫向剛度及抗扭剛度。調(diào)整周邊結(jié)構(gòu)布置和構(gòu)件尺寸，盡量減小結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比，在不考慮偶然偏心的情況下，控制各層扭轉(zhuǎn)位移比均小于1.2。加強(qiáng)薄弱層抗剪承載力，嚴(yán)格控制相鄰層剛重比。

剪力墻的抗震性能在整體結(jié)構(gòu)中至關(guān)重要，可采取以下措施：剪力墻外縱墻全部落地，嚴(yán)格控制外縱墻剪力墻的軸壓比，提高外縱墻約束邊緣構(gòu)件抗震等級(jí)，提高外縱墻約束邊緣構(gòu)件的最小配筋率、配箍特征值等。嚴(yán)格控制地震作用下的墻體剪壓比，確保墻體在罕遇地震下不發(fā)生受剪破壞，保證性能設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3.2 計(jì)算方法

采用兩個(gè)不同力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行多遇地震下的整體對(duì)比計(jì)算，補(bǔ)充彈性時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震計(jì)算，保證計(jì)算結(jié)果的可靠性。進(jìn)行設(shè)防烈度和罕遇地震下的構(gòu)件承載力驗(yàn)算，計(jì)算底部墻肢水平分布筋、邊緣構(gòu)件縱筋、豎向分布筋，驗(yàn)算墻肢的名義拉應(yīng)力，確保設(shè)防地震下墻體不承擔(dān)拉應(yīng)力，使底部墻體受剪截面均符合截面受剪限值條件，避免墻體在罕遇地震下的剪切脆性破壞。此外，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震下的動(dòng)力彈塑性分析計(jì)算，根據(jù)結(jié)構(gòu)的變形情況和主要構(gòu)件的塑性損傷情況，驗(yàn)證罕遇地震下結(jié)構(gòu)的性能設(shè)計(jì)目標(biāo)，從而分析結(jié)構(gòu)的薄弱部位并進(jìn)行加強(qiáng)。

4 工程實(shí)例

蘭州市某高層住宅樓（屬于省定高寬比超限的高層建筑工程），剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震等級(jí)8 度（0.2g），房屋高度98.63m，等效寬度14.042m（按3.5i計(jì)算），高寬比7.03，超規(guī)范限值2～3。

采用SATWE和YJK兩個(gè)不同力學(xué)模型結(jié)構(gòu)分析軟件，進(jìn)行多遇地震下的整體對(duì)比計(jì)算。采用YJK結(jié)構(gòu)分析軟件，用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算。用PKPM-SAUSAGE軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震下的動(dòng)力彈塑性分析計(jì)算后得到以下計(jì)算結(jié)果：

多遇地震作用下，層間位移角限值按1/1050控制；罕遇地震作用下，層間位移角限值按1/135控制，各層計(jì)算值均符合要求（表1）。

表1 多遇、罕遇地震作用下最大層間位移角

2）底層墻、柱軸壓比最大值0.40，比規(guī)范限值降低0.1（圖1），地震剪力系數(shù)均大于0.032（表2），滿足規(guī)范要求。

表2 地震剪力系數(shù)

3）墻體采取抗震構(gòu)造措施：外縱墻約束邊緣構(gòu)件抗震等級(jí)提高至一*級(jí)，外縱墻約束邊緣構(gòu)件的最小配筋率≥1.45%（8Φ20），外縱墻約束邊緣構(gòu)件配箍特征值增大20%；約束邊緣構(gòu)件所在高度范圍內(nèi)剪力墻水平及豎向鋼筋最小配筋率：外縱墻≥0.45%，外縱墻局部凸出墻≥0.50%，其他墻≥0.40%。

4）約束邊緣構(gòu)件高度取底部加強(qiáng)部位及相鄰上二層；約束邊緣構(gòu)件之上增加二層過(guò)渡層。過(guò)渡層暗柱配筋率、墻體配筋率及配箍特征值取加強(qiáng)部位與上部墻體的中間值。

5）4#墻、5#墻、6#墻墻肢（圖2）在設(shè)防烈度地震作用下混凝土全截面名義拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值但未超過(guò)2倍（表3），對(duì)上述墻肢采用型鋼承擔(dān)全部拉應(yīng)力，確保設(shè)防地震下墻體砼不承擔(dān)拉應(yīng)力。

圖1 底層墻、柱軸壓比圖

圖2 單元墻體布置圖（設(shè)防烈度）

表3 設(shè)防地震下底部加強(qiáng)部位墻肢名義拉應(yīng)力驗(yàn)算

6）從大震計(jì)算得出的損傷圖（圖3）可見(jiàn)上部樓層外凸部位的外縱墻有輕微損傷，反映了本結(jié)構(gòu)對(duì)高振型響應(yīng)較大，該損傷對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能影響較小，故對(duì)該部位墻肢應(yīng)加強(qiáng)配筋構(gòu)造，保證其屈服后的延性承載能力與變形能力。

通過(guò)以上分析計(jì)算可知，針對(duì)本工程高度超限和高寬比超限問(wèn)題，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除符合現(xiàn)行規(guī)范對(duì)高層建筑的有關(guān)規(guī)定外，滿足了《超限審查要點(diǎn)》和《暫行規(guī)定》要求，采取了更嚴(yán)格的針對(duì)性的抗震措施和預(yù)期性能目標(biāo)，整體結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)“小震不壞、中震可修和大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。

5 結(jié)論

高寬比超限應(yīng)進(jìn)行多遇地震下的彈性分析、設(shè)防烈度和罕遇地震下的構(gòu)件承載力驗(yàn)算、罕遇地震下的彈塑性計(jì)算分析?？刂茝椥院秃庇龅卣鹣碌奈灰票?，結(jié)合軸壓比、剪重比、剛度比等計(jì)算指標(biāo)，采取嚴(yán)于規(guī)范要求的抗震措施和抗震構(gòu)造措施，對(duì)結(jié)構(gòu)整體把控、精準(zhǔn)分析、措施到位。除此以外，還應(yīng)關(guān)注高寬比較大結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)問(wèn)題，進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體抗傾覆及穩(wěn)定驗(yàn)算，控制基礎(chǔ)邊緣不出現(xiàn)負(fù)應(yīng)力，控制罕遇地震下基底零應(yīng)力區(qū)、筏板外懸挑端基底壓應(yīng)力、邊樁抗壓抗拔承載力，控制大震作用下筏板外懸挑部位抗剪、抗彎、抗沖切承載力等。這些關(guān)鍵因素能為超限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供更經(jīng)濟(jì)的合理性和更可靠的抗震性能。