高烈度区高层建筑结构方案探析

黎虎

(上海市政工程设计研究总院集团第六设计院有限公司,安徽 合肥230000)

随着经济的发展，各地的高层建筑数量与日俱增、规模不断扩大，高层建筑平面布置和立面造型又千差万别，作为结构设计人员，对于7度及其以下设防的高层建筑结构设计可能有一定的经验，但高烈度区的又有什么不同，难点在哪，有什么好的应对措施，这些都是设计人员将要面对的新课题，本文以具体真实案例进行详细的分解、阐述和说明。

1 工程概况

本工程案例位于山东省聊城市莘县，建筑物为高层住宅，地上18层，总高度52.20 米，层高2.9 米，地下室为两层储藏室，层高为2.95 米+2.90 米，主楼地下室外周边与一层地下车库相连接。本地区基本抗震设防烈度为8度，设计地震分组第二组，地震加速度为0.20 g，依据本工程地质勘察报告，其场地类别为Ⅲ类，基本风压0.45 kN/m2（50年一遇），基本雪压0.35 kN/m（50年一遇）。结构形式为剪力墙结构，抗震等级为二级，墙体材料为蒸压砂加气混凝土砌块。

2 结构布置

建筑标准层布置见图1，本户型为四户95.0 平方，两部电梯位置均设置在北侧，中间一部楼梯，设置连廊连接两边，北侧中部为天井开大洞。

图1

结合建筑平面各项功能房间布置，进行结构整体布置，包括剪力墙、框架梁、连梁、次梁、板布置等。

剪力墙、框架梁和连梁布置，第一轮，首选布置一般剪力墙，先按常规7度区高层建筑设计的经验，在建筑物两端部及中间隔开间设置剪力墙，电梯间、楼梯间设置剪力墙，剪力墙肢长基本在2.0 米左右，框架梁梁高按常规1/12L跨高比取值。经初步计算发现，《建筑抗震设计规范》GB 50011（以下简称《抗规》）规定的弹性层间位移角限值1/1000的要求远远满足不了，特别是中部的楼层，经过不断的试算，不断调整剪力墙长度、位置、数量，得出第一版能满足此条要求的剪力墙布置，基本每个房间两边均需要设置剪力墙，而且剪力墙多数都很长，对应梁截面均不大，基本没有连梁，楼层整体和构件其他指标均能满足《抗规》、《高层建筑混凝土结构技术规范》JGJ 3（以下简称《高规》）要求，但整体来看，剪力墙数量较多，基本就没剩下多少是砖墙了，经济指标很不乐观。

第二轮，保持建筑物两端部、电梯间、楼梯间剪力墙不变，尝试隔一开间设置剪力墙，减少剪力墙数量，在不影响建筑门、窗洞口布置的前提下，采用尽可能增加框架梁及连梁梁高的方法增加整体侧向刚度。调整完毕后，剪力墙数量减少了约25%，效果明显，但同时又出现新问题，框架梁和连梁截面多数都很大，标准层Y向几道连接长肢剪力墙的连梁高需要增加到1.2 m，标准层X向外周边几道大梁梁高需要增加到1.0 m，梁高过高，也不符合抗震设计的强柱弱梁理念。

第三轮，转换思路，梁截面过大，就采用增加剪力墙来降低梁跨、变单跨梁为多跨梁，结构侧向刚度变化不大；增加的剪力墙采用短肢剪力墙，因后增加的短肢剪力墙数量不多，也不会导致结构整体变为短肢剪力墙较多的结构体系。

主要结构构件确定后，再依据建筑平面上墙体布置设置次梁，并按计算结果确定梁高。局部短墙下可不设次梁，在板底设置加强筋，模型计算中可在板上对应位置输入楼面线载处理。楼面板板厚的确定，除了满足规范和计算外，还要符合当地住宅质量通病防治措施（山东省和聊城市均有）的相关要求，楼面板板厚不宜小于100，板内有交叉管线的板厚不宜小于120；板跨大于4.2 m的板厚不宜小于120；楼面开洞洞口周边板厚应加强，其板厚不宜小于120；连廊和楼梯间处，楼面板有效宽度基本接近2.0 m的最小限值，又因天井开大洞，此处楼面板应加强，其板厚取150；屋面板板厚不宜小于120。

本工程上部结构的嵌固端位置为地下室顶板，地下室顶板板厚取值180；依据《高规》和《抗规》要求，地下一层与相邻上层的楼层侧向刚度比不宜小于2.0 ，此时的地下室一层侧向刚度计算可计入外周边车库结构的有利作用，本工程取相邻两跨框架并入计算。

最终定稿结构方案布置见图1，剪力墙数量适量、布置较均匀，X向、Y向梁高基本在800以内，延性较好；结构双向侧向刚度较均匀，刚心与质心偏心不大，结构最大位移比和最大层间位移比均不大于1.20 ；结构自振周期扭转周期比为0.84 <0.90 ；最大弹性层间位移角，X向为1/1006，Y向为1/1004；其它指标均能满足要求。整楼的主要工程材料钢筋、砼对应的每平方含量指标均略低于当地同类型高层的指标平均值，经济指标合理。

3 经验总结

高烈度区高层建筑的结构设计，整体指标上，最大的难点是弹性层间位移角限值和构件剪压比很难满足要求，而且很难同时满足，甚至可能是互为矛盾，究其根本原因还是由于高烈度区地震作用水平力过大引起的。

弹性层间位移角限值控制是一大难题，解决的方法就是增加结构整体抗侧力刚度。尽量充分利用在同一轴线上的剪力墙和连梁（或框架梁），形成多跨或至少单跨框架，整体侧向刚度增加幅度大；在不影响建筑功能使用的前提下，可在局部设置截面较大的连梁来增加侧向刚度；南北侧外墙，因受建筑门、窗布置影响，剪力墙布置位置受限，应尽量满布剪力墙翼墙至门窗洞口边，充分利用有限的空间，增加X向侧向刚度；在梁高受限，或梁高经计算需要很大（如梁高1.0 米以上），可考虑增设部分短肢剪力墙来减小梁跨度，降低梁高，当然，短肢剪力墙不能过多，不能超过《高规》规定的要求（第7.1.8 条），否侧整体结构方案有本质的变化，变为具有较多短肢剪力墙的结构体系，本身就是抗震不利的。提醒下，模型计算时，应勾计算地震位移时不考虑连梁刚度折减项，否侧此项指标更难满足要求，此做法符合《抗规》第6.2.13 条要求。同一方向的各轴线上的刚度尽量接近，特别是外周边的，比如X向的南北两侧；细致的模型试算就会发现，在其它结构构件布置不变的情况下，单独调整X向南侧或北侧的梁高，有的标准层梁高增加100，对整体弹性层间位移角控制贡献较大且明显，而有的标准层梁高增加100～300对整体弹性层间位移角控制都没有多大贡献，甚至局部的梁增加反而起反向作用。

剪压比的调整是另外一大难点，解决的方法就是相应的或者相对的减少构件剪力。剪力墙的剪压比和梁的剪压比超限，绝不能单一的认为增加构件尺寸和截面就可以解决，往往是越增加剪力墙长度，越增加梁高，该处的侧向刚度在整体刚度中所占比重越大，其剪压比依旧不能解决，甚至是越增越严重，反而是需要降低此处侧向刚度来达到目的。另外一个方法就是增加构件宽度，一般剪力墙结构，剪力墙厚度基本都是200，增加剪力墙厚度，会相应减少住户户内的使用面积；加大梁宽，住户户内房间顶部会有向内突出的梁线，影响使用效果，一般不轻易采用增加构件宽度的方法来解决剪压比问题。还有一个方法就是提高构件的砼强度等级，模型调整到最后，一般都是个别楼层的极少数构件的剪压比超限难解决，因个别构件的因素而调整整层结构构件的砼强度等级，不经济，也不合理。连梁的剪压比超限，有条件的可以调整梁的跨度，一般连梁跨度不小于2.0 米为宜，否侧跨度越小，越容易出现此问题，连梁两边的剪力墙墙肢长度要合理，要留给连梁合理的跨度。连梁的剪压比超限还可以采用开缝连梁（或双连梁）的方式来解决，开缝即在原有大截面连梁中部设置一道水平贯通的缝，缝宽20～30，使此连梁变为两道梁，降低原来的连梁刚度，构件吸收的地震作用相应就会减少从而解决剪压比超限问题；当然开缝后，结构的整体侧向刚度会降低，需要再次调整模型。

弹性层间位移角限值和构件剪压比同时满足是最大难点，为了满足降低弹性层间位移角，必须增加结构整体侧向刚度，在建筑平面布置的有限条件下，对应的措施往往需要增加剪力墙长度、加大梁高，但这些措施一旦过量就极其容易引发连梁及剪力墙剪压比超限；结构模型的调整需要耐心、细致，找对方向，方法得当，才能找到满足要求的平衡点。

除上述难点以外，其它方面也应引起重视：

尽量不要布置与剪力墙墙肢垂直相连接的梁，住宅剪力墙一般墙厚为200，次梁与剪力墙相交的位置墙厚仅为200，梁纵筋在墙内的锚固长度很难满足要求，最好采用直径14mm以下的纵筋，否则梁纵筋的锚固要另外措施其他可靠的措施，如增设焊接短筋等。若不可避免，也应尽可能在梁端设置净长度不小于400的剪力墙翼墙，以便提供给梁纵筋足够的锚固区域。

楼面梁、单边次梁不宜支承在剪力墙的连梁上，会对连梁产生扭转效应，应尽量避免。楼面框架梁、主受力次梁不能支承在剪力墙的连梁上；楼面小截面次梁支承在连梁上，次梁端部可以按铰接计算。

地震作用效应计算时，可对剪力墙连梁刚度进行折减，一般6、7度是可以取0.70 ，当8、9度时可取0.60 ～0.50 ，最低0.50 ，以保证连梁承受竖向荷载的能力；刚度折减缓解了连梁因弯矩、剪力大，配筋困难的问题。

4 结论

高烈度区高层建筑结构设计，结构整体方案要合理，要明确其重点和难点，要知道其形成的机理，对症下药，模型试算要细致，其调整要有明确的方向，才能达到结构设计安全、经济、合理的效果。