高烈度区高层住宅结构设计

王益山，刘聪明，谢能俏，冯超林，许宇超

（深圳市建筑设计研究总院有限公司 深圳 518031）

1 工程概况

本项目位于云南省大理州洱源县，建设场地北临纬二路、东临河滨大道、西临文碧路。项目地面以上由若干栋15F～18F 高层住宅塔楼及多层商业裙楼组成，设1层地下室。建筑效果如图1所示。

图1 建筑效果图Fig.1 Architectural Effect Drawing of the Project

塔楼地上以18层为主，建筑高度54.0 m。由于建筑功能的需求，均采用剪力墙结构，无转换。

本项目结构设计基准周期和设计使用年限为50年。建筑结构抗震设防类别为丙类。该项目抗震设防烈度8 度，设计基本地震加速度为0.30 g，设计地震分组为第三组，建筑场地类别为Ⅲ类，特征周期为0.65 s。按照《建筑结构荷载规范：GB 50009-2012》，本项目基本风压为0.65 kN/m2，地面粗糙度为C 类。结构计算的嵌固端设在地下室顶板。采用 PKPM（V4.2 版本）［1］软件对本项目塔楼进行小震结构设计。本文以9号楼为例，重点介绍高烈度区结构设计中如何处理常遇问题的一些方法。

2 场地对结构的影响

本项目场地10 km 范围内属发震断裂带，对结构进行性能化设计时根据《建筑抗震设计规范：GB 50011-2010（2016年版）》［2］（以下简称《抗规》）3.10.3条需考虑近场效应，增大系数宜取值1.5。同时《抗规》4.1.7条规定在采用小震弹性反应谱进行结构抗震承载力验算时，抗震设防烈度为8 度和9 度时，隐伏断裂的土层覆盖厚度分别大于60 m 和90 m 时，可忽略断裂错动对地面建筑的影响。本项目的土层覆盖厚度大于60 m，故小震设计时未考虑近场放大效应。

3 结构布置

9号楼建筑共18F，结构高度为54.0 m，结构长度为28.6 m，结构宽度13.6 m，故结构高宽比为3.97，结构长宽比为2.1。墙厚为200～300 mm，剪力墙布置如图2、图3所示。

图2 标准层结构平面图Fig.2 The Structure Plan View of Standard Layer

图3 结构模型Fig.3 The Structure Model

楼面结构采用现浇钢筋混凝土楼盖体系，考虑到地下室顶板为上部结构的嵌固端，加强地下室顶板梁柱结构体系。墙柱混凝土为C50～C60，梁板为C30；钢筋强度等级为HRB400，HRB500；现浇钢筋混凝土梁板式楼盖地下室顶板板厚180 mm，核心筒内、塔楼屋面板厚120 mm，标准层板厚100～130 mm；标准层框架梁截面最大300 mm×1 250 mm，最小200 mm×450 mm；标准层剪力墙厚度最大300 mm，最小200 mm。

4 设计中的难点及处理方法

本项目位于云南省，指标控制需满足《高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3-2010》［3］（以下简称《高规》）的要求，小震作用下的位移角限值按1/1 000 执行。在计算过程中发现，由于地震力随着剪力墙的厚度增加而增加，但只增加剪力墙的厚度并不能有效地控制位移，反而会适得其反，需采取其他途径降低地震力或提高建筑物的抗侧刚度。其次墙肢及连梁、框架梁的剪压比非常容易超限。剪压比是保证建筑高层结构延性、安全度的重要措施，需采用有效措施调整以满足规范要求。高烈度项目四周的墙肢承载力基本处于拉弯状态，承载力也很容易超限，也需解决。

4.1 位移角的处理方法

⑴剪力墙布置的时候要考虑腹板和翼缘的共同作用［4］。在满足建筑功能的情况下尽量在四周墙体处多设有效翼缘，不要无谓的增加墙长及厚度。因为在分析计算一个主轴方向的剪力墙结构的刚度时，另一个主轴方向与这个计算主轴方向剪力墙端部相连的有效翼缘会一起协同工作。对提高整体抗侧刚度十分有效。

⑵《抗规》5.2.7条，结构抗震计算，一般情况下可不计入地基与结构相互作用的影响。由于本项目嵌固端取在地下室顶板，故上部结构设计只取了地上模型，并未带入地下室［5］。

⑶根据《抗规》6.2.13条文说明，计算位移时连梁刚度可不折减。

⑷重力荷载值做到精细。在高烈度区，地震力对重力荷载的大小十分敏感，荷载取值过高，会导致结构既不安全也不经济。在设计过程中，首先采用轻质隔墙材料，比如加气混凝土砌块等；其次梁上砖墙荷载扣除梁高、考虑门洞的影响；考虑扣除掉梁板重叠、墙板重叠的重量，这点在高烈度区设计时尤其重要。

4.2 剪压比超限的处理方法

规范针对不同的构件分别给出了剪压比的不同限值。为了保证构件的延性，高烈度区更应该从严控制。当剪压比超过规范限值时，构件的刚度和强度都会有明显的退化，此时增加箍筋用量，也不能发挥作用，因此对构件的截面尺寸有所要求［6］。本项目针对不同的构件采取了以下不同的措施：

⑴针对连梁：采用设双连梁，设置交叉斜筋，缩短墙肢长度减小连梁剪力，提高混凝土等级等措施；

⑵针对剪力墙：采用提高混凝土等级，缩短墙肢，调整周边剪力墙布置等措施，根据《抗规》6.2.9条验算剪力墙剪压比的截面可采用墙肢长度，软件计算采用的是有效高度；

⑶针对框架梁：采用局部指定混凝土等级同剪力墙，调整支座剪力墙的长度，设置钢骨等措施。

4.3 墙肢承载力超限的处理方法

高烈度底部加强区的墙肢很容易处于拉弯受力状态，由于软件默认的暗柱长度为400 mm，很容易就导致墙肢承载力超限。可采用以下两种方式处理：

⑴提高墙身竖向分布筋的配筋率。由于竖向分布筋是均匀布置在墙体中，而非集中布置在墙体两端，导致抵抗弯矩的力臂作用有限，墙身分布筋对截面承载力贡献不大，故采用此方法时造价会急剧上升。

⑵按实际的计算结果人为调整暗柱的尺寸大小，控制暗柱的配筋率小于5%，此时由于暗柱中的钢筋合力点的力臂发生了变化，需要反算承载力，对原计算结果进行放大修正。本项目放大系数约为1.1。

5 结构安全性评估

由于该项目位于强震区，如何最大限度减轻地震灾害所造成的经济损失、人员伤亡和社会负面影响是值得关注的。本文从结构体系的分析和两阶段设计方法两个方向对结构安全性进行评估。

5.1 结构体系的分析

关于剪力墙结构的基本组成，《高规》7.1.1条明确规定“剪力墙平面布置宜简单、规则，宜沿两个主轴方向或其他方向双向布置，两个方向的侧向刚度不宜相差过大。抗震设计时，不应采用仅有单向有墙的结构布置。”文献［7］中描述，可以通过高低阶的振动频率判断结构的变形特征，判别其结构体系。弯曲变形的高阶频率比一般为 1∶4∶9，剪切变形的高阶频率比一般为 1∶2∶3。

由于剪力墙结构的变形主要以弯曲变形为主，故关注两个主轴方向的高阶频率比值是否满足上述比值，即可判别结构体系是否合理。图4为9号楼小震作用的位移角曲线。表1为前9 个振型下的结构周期及振型方向。

图4 小震最大层间位移角简图Fig.4 Diagram of Maximum Inter-layer Displacement Angle of Small Earthquake

表1 结构周期及振型方向Tab.1 The Period and Mode Direction of the Structure

由表1可得，X方向高阶频率比值为 1∶3.21∶5.88；Y 方向高阶频率比值为1∶4.27∶9.27。故可得出结论：Y方向属于《高规》中剪力墙范畴，而X 方向不属于剪力墙的范畴。从本质上来说，X 方向属于单方向少墙结构［8］。需对 X 方向的墙肢进行加强。文献［9］提供了处理及加强的方法，主要措施如下：⑴在少墙方向的单向地震作用下，使少墙方向的剪力墙承担该方向全部楼层剪力墙所承担剪力；⑵设计使端柱翼墙框架柱承担不小于20%楼层剪力。具体处理方法本文不再赘述。

5.2 大震弹塑性位移角

采用中国建筑科学研究院结构计算软件PUSH&EDPA 进行罕遇地震作用下静力弹塑性分析（即Pushover），复核罕遇地震作用下的位移角是否满足规范限值1/120 的要求。图5为结构层间位移角分析结果，X 方向层间位移角最大值为1/180，Y 向为1/166，均小于规范限值。

图5 大震最大层间位移角简图Fig.5 Diagram of Maximum Inter-layer Displacement Angle of Large Earthquake

6 经济性指标

目前针对高烈度区的高层建筑经济性指标数据比较少，文献［10］中仅给出了多层结构的混凝土及钢筋含量数据。为了给其他类似高层项目提供参考，本项目对钢筋及混凝土用量做了统计，钢筋含量约为60 kg/m2，混凝土用量约为0.40 m3/m2。若建筑专业在满足功能的前提下，能减小一部分凸窗尺寸，增加周边剪力墙翼缘的长度，同时谨慎采用提高竖向分布筋配筋率时，钢筋含量可以控制在55～60 kg/m2范围内。

7 结语

本项目属于高烈度区高层住宅建筑。该项目具有地震力大，单向少墙的结构特点。针对该工程特点，总结如下：

⑴对待高烈度项目，要精细化设计，结构布置要合理。针对设计过程出现的不同问题，有针对性地采取措施。同时对薄弱环节采取多手段分析进行加强；

⑵采用两阶段设计方法，进一步评估结构的安全性；

⑶提供了该项目的经济核算数据，给类似项目提供参考。

⑷在设防烈度8 度（0.3 g），场地类别Ⅲ类地区，建筑物的高度若超过18F，可以考虑隔震技术。