高层建筑框架混凝土剪力墙结构设计
时间：2022-07-22 09:14:27
摘要:剪力墙结构凭借着较好的抗震性能，美观、使用功能也较佳的优点，在高层建筑中得到广泛的应用。但是目前，作为高层建筑中主要的结构形式，剪力墙结构设计水平亟待提高。本文就结合某高层建筑实例，分析剪力墙结构平面布置、板的设置以及上部结构的构造处理，结果表明整体设计满足业主和相关规范要求，可供类似高层剪力墙设计人员参考。
关键词:高层；剪力墙结构；设计；构造措施；电算分析
Abstract: the shear wall structure with a good aseismic performance, beautiful, use function also better advantage, in high-rise building widely applied. But now, as in the structure of the high-rise building main form, the shear wall structure to improve design level. This paper is combined with a high building examples, the shear wall structure analysis of plane layout, plate setting and the structure of the upper structure of processing, and the results show that the overall design meet the owner and the related standards and requirements for similar high-rise shear wall designers. Keywords: top; The shear wall structure; Design; Structural measures; Computer analysis
中图分类号： TU398+.2 文献标识码：A 文章编号：
毫无疑问，高层建筑是社会发展的产物，是现代化、商业化、工业化和城市化的必然结果。为了满足高层建筑的抗震性和经济性，剪力墙结构是一个较佳选择。剪力墙结构承受竖向力、水平力的能力均较大，横向刚度大，具有较好的抗震性能，并且更为美观，使用功能也较佳，因此，剪力墙结构在高层建筑中得到广泛的应用。但是，随着人们对建筑的使用功能要求日益增加，也给剪力墙结构设计带来了不少难度，本文就对剪力墙结构的设计内容进行相关研究与探讨。
1 工程概况
某高层住宅小区，总建筑面积54420m2，其中3号住宅楼地上18层，层高2.80m，基础埋深为3．65m。由于平面超长(48.13m＞45m)，建筑物的长宽比L/Bmax=23.55/16.35=1.44＜5，高宽比H/B=65.11/16.89=3.85＜6，符合规范要求；剪力墙混凝土强度等级为C30，为方便施工，楼板和梁的混凝土强度等级同墙体一致取C30。墙、梁、板内受力筋选用HRB335级，分布筋选用HPB235级。
2 地基基础设计
了解工程的地质条件是开展工作的关键。该建筑工程通过勘测地基土层分布与物理力学特性见表1。场地的地震基本烈度为7度，由于在15．0m深度范围内无成层连续分布的饱和砂性土和砂质粉土存在，故不存在地基土的液化问题。
表1地基土层分布及物理力学特性
该地区为Ⅳ类场地，地下水位较高，上部土层软弱，天然地基不能满足工程对地基承载力和沉降的要求，经过充分的技术经济分析比较，决定选用预应力高强混凝土管桩(代号PHC)，桩径500mm，桩长46．5m，持力层为⑦1草黄色粉砂层，单桩竖向抗压承载力设计值Ra=2560kN。室内地面设计标高±0．000相当于结构标高4．650m(吴淞高程)。
本工程在初步设计阶段，曾设置有一层地下室，层高为3．3m。在施工图阶段，由于业主一再要求建筑功能不需要地下室，故建筑不设地下室，而结构设计时基础埋深仍取3．65m(室外地坪至承台底)，以满足《高规》第12．1．7条2款H/18的埋深要求。
桩基承台采用墙下条形承台，单排布桩。因为上部结构为剪力墙，且荷载分布较为均匀，故所有管桩均布置在墙下，基础梁截面取700×800(b×h)，钢筋按构造配置。基础沉降计算采用同济启明星桩基设计计算软件Pile2006，按常规桩基的Mindlin应力法单向缩分层总和法计算，经计算桩基的平均沉降量估算值为48．3mm，符合有关规范要求。
经三维空间设计分析软件验算，结构的整体稳定和抗倾覆能力均能满足要求。为了进一步保证基础对上部结构的嵌固作用，设计中还采取了如下加强措施:1)桩筋锚入承台梁内40d，以保证基础对上部结构的嵌固作用和整体作用；2)底板与护坡桩之间采用C10素混凝土灌实，加强侧限以提高结构稳定性和基础的抗滑能力。
3 上部结构设计与计算
3.1 结构体系及设计参数
由于15号楼建筑平面长度为49．45m(超出现浇剪力墙结构温度伸缩缝的长度限值)，故在平面中部设置250mm宽的伸缩缝(同时满足抗震缝的宽度要求)，将整个结构分为左右两个对称的平面。结构整体计算采用中国建筑科学研究院开发的PKPM软件中的SATWE(高层版)模块，并采用PMSAP做补充计算；位移参数控制计算时采用离散模型，内力配筋计算时采用整体模型。
15号楼采用剪力墙结构；考虑抹灰粉刷层重量后，混凝土的重度取27kN/m3；建筑抗震设防类别为丙类；地震设防烈度为7度；设计基本地震加速度值为0．10g；Ⅳ类场地；特征周期值为0．9s；剪力墙抗震等级为三级；结构阻尼比为0．05；水平地震影响系数最大值为0．08；罕遇地震影响系数最大值为0．5；修正后基本风压为0．60kN/m2(取100年一遇)，地面粗糙度为B类，结构体形系数为1．3。地震力按x，y两个方向计算，同时考虑扭转耦联；风荷载按x，y两个方向计算；恒、活荷载分开计算；恒载按模拟施工1加载；柱、墙、基础设计时活载按楼层折减；周期折减系数取0．95；计算取15个振型；连梁刚度折减系数取0．7；梁端负弯矩调幅系数为0．85；中梁刚度放大系数为2；梁扭矩折减系数为0．4；地震力的分项系数为1．2，风荷载的分项系数为1．4，恒荷载的分项系数为1．2，活荷载的分项系数为1．4。墙元细分中壳元最大控制边长为2．0m；底部加强部位从基顶至8．38m(层4楼面处)。
楼板的概念设计对结构刚度的实现起着举足轻重的作用，在保证结构平面整体性的同时尽可能减小板厚，降低自重的不利影响。标准层一般楼板厚110mm，地下室顶板和屋顶楼板对刚度影响最大，将板分别加大为180mm和120mm，设置通长钢筋并将配筋加强，配筋率取0．25%。
另外楼面阳角处和跨度不小于3．9m的楼板，也设置双层双向配筋，且阳角处钢筋间距不大于100mm；跨度不小于3．9m的楼板钢筋间距不大于150mm；钢筋直径不小于8。外墙转角处尚应设置放射形钢筋，配筋范围大于板跨的1/3，钢筋间距不大于100mm。对于楼、电梯间开大洞口处的周围楼板厚度取120mm，并按双层双向配筋，以增加楼板平面内的刚度；在结构整体计算时，将该部分楼板定义为弹性板。
鉴于对于⑤轴～⑥D轴处的凹槽较深(凹进为2．25m，占该部分楼板投影方向总尺寸的21．13%)，虽然不大于30%，但也属于平面薄弱部位，故在凹槽处隔层设置截面200×300连梁，并在凹槽内侧设置1．2m宽120厚的拉结板带，使结构计算模型满足平面无限刚性的假定。
剪力墙的厚度及连梁的高度对结构整体刚度起决定性作用:结构刚度大，使得地震作用构件的尺寸和配筋加大，造成浪费；结构刚度小，会使结构在正常使用条件下的位移偏大，影响承载力、稳定性和使用。
在工程的初步设计阶段，笔者就从“概念设计”出发，合理布置结构构件，既要满足安全度要求，又要使结构具备一定的延性，达到有效地地震耗量效果。地面以下剪力墙厚取250mm；地面以上剪力墙厚取200mm；连梁以200×400为主。
表2 三维空间有限元分析结果
3.2 电算分析结果及判断
电算分析采用三维空间有限元SATWE程序，PMSAP程序做补充计算；计算时考虑扭转耦联和偶然偏心影响，结构振型数取15个，按《高规》要求分别对正交(xoy坐标系)方向进行多遇水平地震作用下内力和变形分析，计算结果见表2。
将SATWE电算结果与PMSAP电算结果相比较，两个程序分析的结构自振周期相近，第一、二主振型均为平动振型；两种程序分析的结构最大层间位移也相近，发生的层号相同；PMSAP分析的层间位移还略大于SATWE分析结果，与两种程序分析的结构自振周期分别相符。
由表2可知，结构在地震和风荷载作用下位移值均在规范要求的限值内，并且以扭转为主的第三振型周期T3与以侧振为主的第一振型周期T1之比值均小于0．85，仅在X+5%作用下层2的楼层弹性最大层间位移与平均层间位移比值为1．40，说明结构的质量与刚度分布不均匀、不对称，此时应考虑计算“双向地震”作用的情况。根据SATWE的用户手册，当同时勾选“偶然偏心”和“双向地震”作用后，程序按两者不利情况进行设计，并非叠加设计，故按同时勾选“偶然偏心”和“双向地震”再算一次，并按此结果进行配筋。
经过两种程序的分析和对比，15号楼抗震设计的各项主要计算数据均可满足规范的要求。
对于本工程存在的少量短肢剪力墙构件，根据文献，不必遵守《高规》第7．1．2条规定。由于《高规》表7．2．14未给出三级抗震时剪力墙的轴压比，在此笔者建议按0．7控制，以增加结构延性，改善结构的变形能力。
4 结语
总而言之，高层剪力墙结构设计一项系统工作。在在高层剪力墙结构设计时，必须结合具体工程的特点，对其剪力墙的受力状态进行正确的计算分析，合理科学进行剪力墙的结构布置，任何遗漏或错误都有可能使结构设计成果存在一些不安全因素。并且必要时应再次调整结构布置，使计算的内力和变形等数据能满足建筑抗震设计规范的要求。只有这样，才能设计出既安全又经济实用的建筑精品。
参考文献
[1] 曹爱群，浅谈高层建筑框架剪力墙结构的设计[J].工程与建设,2011.03
