剪力墙结构高层住宅中电梯间偏置布置的探讨

张 欢

上海市建工设计研究总院有限公司 上海 200235

当前的高层住宅类建筑，为了提高土地使用率，改善户型朝向，比较多的一种设计是楼梯间、电梯间布置在建筑的北面，楼梯通过室外连廊连通，为满足连廊与主体结构消防间距的要求，北侧电梯间一般外凸尺寸较大。这就导致结构的刚度偏向北面。

此种结构布置存在的问题有如下2点：

1）楼梯间、电梯间剪力墙造成整体刚度偏移，且楼梯间、电梯间内部整板开洞，再加上与主体的连接较弱，刚度无法水平向传递，存在“虚刚”的问题，对结构抗震不利。

2）连廊在平面内以及平面外的结构刚度较弱，同样对结构抗震不利。

1 剪力墙布置的2个要素

剪力墙布置的2个要素为数量和位置。

剪力墙的数量是决定整体结构抗侧刚度的关键。当剪力墙的数量太少时，结构整体抗侧刚度弱，遇到较大的侧向力，比如罕遇地震时，结构整体不能够满足安全性和正常使用要求。有学者认为地震的作用非恒定值，与周期刚度有关，当刚度很小时，周期很长，地震作用效应小，相对位移小，此时的结构未必合理[1]。当剪力墙数量过多时，结构延性下降，自振周期减小，结构整体刚度大，较大的刚度导致较大的地震作用，结构内力因此增加，不仅造价较高，而且同样不安全。

剪力墙布置的原则是：建筑周边布置剪力墙较多，中间位置相对较少，墙肢尽量分布均匀，连梁连接剪力墙，形成整体，梁跨宜控制在5 m以内。

2 实例研究

某高层住宅地上27层，高78.5 m，剪力墙结构，嵌固端为地下室顶板（图1）。抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度为0.10g，Ⅳ类场地，设计地震分组为第一组，场地特征周期值0.65 s，风荷载取50年重现期基本风压0.45 kN/ m2。

图1 项目建筑结构平面示意

当凸出主体平面的楼梯间、电梯间合围成筒体设计时，虽然楼梯间、电梯间内部整板开洞，但是对整体抗震来说，剪力墙传力连续；楼梯间、电梯间与主体结构的连接部位，适当地布置竖向构件，确保复杂受力部位的强度。此种情况下可认为楼梯间、电梯间与主楼有可靠连接，计算结构高宽比的“等效宽度”可计入楼梯间、电梯间的尺寸，无需额外分析楼梯间、电梯间的“虚刚”问题。但是合围成筒体时整体刚度偏移更大，且造成造价上的浪费，并不十分推荐。楼梯间、电梯间未合围成筒时，则需要计算分析局部“虚刚”及楼梯间、电梯间墙体的稳定性问题；同时受限于建筑使用功能的需求，楼梯间、电梯间与主体结构连接较弱，计算结构的高宽比等效宽度不可计入楼梯间尺寸。

JGJ 3—2010《高层混凝土建筑结构技术规程》第3.3.2条规定，框架剪力墙结构体系最大高宽比不宜大于6。高层建筑的高宽比，是对结构刚度、整体稳定、承载能力和经济合理性的宏观控制。在复杂结构的高层建筑中，如何计算高宽比是比较难以确定的问题。一般情况下，可按所考虑方向的最小宽度计算高宽比，但对突出建筑物平面很小的局部结构（如楼梯间、电梯间等），一般不应包含在计算宽度内。对于不宜采用最小宽度计算高宽比的情况，应由设计人员根据实际情况确定合理的计算方法。建筑高宽比的确定，通常采用最小投影法、面积法、刚度法。对于楼梯间、电梯间剪力墙偏置情况下的高宽比，如若采用最小投影法，即计算建筑物的最小投影宽度，完全忽略了突出局部对于整体刚度的贡献，太过于保守，造成经济上的浪费。如采用面积法，使用反算面积相等的矩形来计算高宽比，需要标准层的刚度在平面内几乎做到均匀布置，本项目刚度中心明显偏置，显然不适用。与本项目相似类型的住宅适合采用刚度法，根据结构力学的基本原理，采用等刚度原则进行宽度换算[2]，再进一步确定等效宽度，遵循客观事实，具有较大的合理性。

本工程在设计中，已去除外凸楼梯间、电梯间剪力墙后复核结构高宽比以及结构位移指标。经复核，不考虑楼梯间、电梯间，楼层有效宽度为10.75 m，相应结构高宽比＝78.5/10.75＝5.75＜6，满足规范的要求，不需要采用等刚度法折算建筑宽度。去除外凸楼梯间、电梯间剪力墙之后，结构位移指标也同时满足规范要求。

建立3种计算模型结构进行计算，如图2～图4所示。其中：图2为原结构计算模型；图3为优化模型1，为将原结构北侧楼梯间、电梯间的剪力墙删除，用刚度较小的400 mm×400 mm框架柱代替，传递竖向荷载；图4为优化模型2，为将与主楼连接相对较强的楼梯间剪力墙保留，与主体平面连接相对较弱的中间一个电梯间完全删除，不参与计算[3]。计算采用盈建科YJKS 3.0.1版系列软件。对比3个模型的计算，计算结果见如表1所示。

图2 原结构计算模型

图3 优化方案1

图4 优化方案2

表1 3种模型结构计算结果

结构的刚度和位移存在反相关的函数关系，结构的刚度通过位移来体现，规范对于结构刚度的控制，主要是通过控制位移目标（地震和风荷载下的位移）得以实现。通过分析表1中数据可以看到，楼梯间、电梯间的剪力墙改成框架柱之后，结构刚度有所削弱，削弱值在10%左右。因此为保证结构整体的竖向刚度，相同类似住宅结构需保证y向位移角在1/1 150以上，不宜过度优化以确保整体刚度。

如图5所示，对比原计算模型以及优化方案1可知，忽略楼梯间、电梯间剪力墙的刚度导致内力重新分布，其余位置剪力墙底部最大剪力增幅超过25%（用红色标记）。可得到结论，在不考虑最外侧剪力墙刚度计算时，如果整体抗侧刚度不满足规范的要求，那么首先补强红色位置的墙体是比较合理的。

图5 优化模型1的剪力墙底部最大剪力增幅超过25%

结构采用SATWE进行内力计算时，底部楼层楼梯间、电梯间局部墙肢呈现小偏拉受力形式，故在模型计算时，需补充计算小偏拉墙肢在中震下拉应力，当中震下墙肢拉应力小于混凝土轴心抗拉强度标准值时，可通过加强墙体配筋抵抗小震下的拉应力并复核墙肢裂缝。同类型建筑楼梯间、电梯间最外侧墙肢拉应力通常会大于混凝土轴心抗拉强度标准值，因此设计过程中需要按照小偏拉墙肢产生裂缝不参与抵抗地震作用的情况下，使用改框架柱代替的小震模型进行配筋包络设计。

3 长连廊中震弹性楼板应力分析

塔楼在北侧2个楼电梯井筒间设置了开敞式走廊，走廊两侧均为开洞，连廊宽度为2 200 mm。考虑到长连廊楼板不利的影响，板厚取150 mm，楼板混凝土强度等级均为C30。本工程的楼板应力分析取地震力最大的15层的楼板应力，通过应力分布图得出楼板受力集中于相对薄弱的部位，为楼板的构造加强提供依据。分析了设防地震荷载组合1.2倍重力荷载+1.3水平地震作用标准值下的楼板应力，如图6所示。

图6 15层楼板应力等值线

由图6可知，楼板普遍应力值小于5.0 MPa，局部出现最大楼板拉应力值为10.2 MPa，采用φ10 mm@150 mm双层双向局部附加φ16 mm@150 mm，则每延米抗拉应力设计值为1 342 kN，最大楼板拉应力对应的楼板每延米应力设计值为1 315 kN＜1 342 kN，从而保证在设防地震作用下的钢筋弹性。另外需注意，连廊边梁底部钢筋在中震弹性计算下增加较大。综上所述，连廊的边梁、楼板的加强措施为：采用薄弱部位钢筋加强的方式，从而保证在连廊设防地震作用下钢筋弹性，同时与连廊相连的周边构件按照有无连廊，分别进行配筋的包络设计，连廊以及相邻一跨的楼板，板厚加大150 mm，连廊边梁连续伸入主体结构，形成连续梁。

4 结语

随着社会经济的发展，高层住宅建筑的形式也在不断翻新，为做好高层住宅的结构设计，需要关注如下几个方面：

1）控制高宽比、选取合理的结构体系。高层建筑的高宽比是对结构刚度、整体稳定、承载能力和经济合理性的宏观控制，控制高宽比是结构体系合理的前提。

2）提供足够的安全储备，保证实现抗震设计的三水准设防要求。本项目尤其需要控制结构侧向刚度的富余量，保证在楼梯间、电梯间最外侧剪力墙退出计算情况下，剩余结构强度能满足抗震要求。

3）良好的经济性指标。结构设计中，平面的合理布置和构造措施尤为关键，是实现经济性的重要手段。对于建设单位来说，良好的经济性是评判结构体系是否合理的主要指标。

本文通过实际工程分析研究了高层剪力墙住宅电梯间偏置布置时，应考虑的因素以及设计过程中采用的具体办法，对剪力墙布置和连廊设置需要注意的问题做了详尽的论述，可作为今后类似建筑设计过程中的参考。