高层剪力墙结构底部设置少量框架裙房的设计探讨

韩廷，韩丽君，高慧升，张春霞

（呼和浩特市建设工程施工图审查中心有限公司，呼和浩特 010020）

1 引言

在高层住宅设计中，经常遇到需在高层住宅建筑首层及2层设置小型营业性用房的情况。有时为了扩大营业面积，通常从高层建筑底部延伸1～2 跨作为底部商业服务网点。由于裙房作为营业性用房的功能需要，竖向构件布置相对主楼剪力墙结构更为空旷，裙房多采用框架结构与主楼高层剪力墙结构直接连接。

该类型结构的特点：一是竖向框架裙房的高度小于主楼高度的0.2 倍，不属于JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》[1]3.5.5 条及10.6.1 条所规定的竖向上部收进结构；二是平面上从主楼延伸的范围一般在主楼的影响范围内，不超过3跨及20 m；三是主楼与裙房之间不设缝，便于建筑功能的连续性。本文所探讨结构类型均应满足上述条件。

2 工程概况

结合某高层住宅项目，地上20 层，地下1 层，建筑高度61.8 m，首层层高5.1 m，2 层层高4.2 m，3 层以上为标准层，层高均为2.9 m，室内外高差0.3 m；结构首、2 层设裙房，裙房从主楼延伸2 跨，横向进深分别为6 m、5 m，纵向6 个开间，柱距约8 m，以上为标准层，结构三维模型如图1 所示。

图1 三维模型

本工程设计使用年限50 a，结构安全等级二级，抗震设防类别为标准类设防，抗震设防烈度8 度（0.2g），设计地震分组第一组，建筑场地类别为Ⅲ类，特征周期0.45 s，基本风压0.45 kN/m2，地面粗糙度为B 类，上部结构的嵌固部位位于地下室顶板。

3 底部框架承担地震剪力及倾覆力矩对比

为分析底部框架及剪力墙在抵抗水平作用时各自发挥的作用，分别统计底部2 层框架柱与剪力墙承担的剪力及地震倾覆力矩[2]，见表1～表4。

表1 X 向地震工况下的剪力及百分比 kN

表2 X 向静震工况下的倾覆力矩及百分比 kN·m

表3 Y 向地震工况下的剪力及百分比 kN

表4 Y 向静震工况下的倾覆力矩及百分比 kN·m

由表1～表4 可知，底层框架柱承担的X、Y 向地震剪力及倾覆力矩百分比均在2%～3%，该类型结构在抵抗水平作用时，底部裙房框架发挥的作用远远小于主楼剪力墙，结构抗侧力构件以主楼剪力墙结构为主，框架部分几乎可以忽略不计。

4 框架柱内力调整及二道防线问题探讨

对于该类型结构，是否还需按照JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》8.1.4 条对框架柱总剪力进行调整？不少结构设计人员及施工图审查人员根据JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》8.1.3 条条文解释，认为当结构底层框架部分承受的地震倾覆力矩与结构总地震倾覆力矩比值小于10%时，框架部分仍需要进行剪力调整[3]。

对于此类型结构是否需要对底部框架柱承担的地震总剪力进行调整，应从框架-剪力墙结构框架柱内力调整的目的进行分析。框架-剪力墙结构中框架柱内力调整的宗旨在于：一是按多道防线的概念，让框架柱形成二道防线[4]；二是协同计算时采用楼板平面内刚度无限大的假定，由于普通框剪结构中剪力墙间距较大，楼板变形会加重框架的负担，框架柱处楼板位移较大，相应地框架柱的水平力较计算值大[5]，如图2 所示，框架实际位移Uc较剪力墙位移Us大。

图2 框架-剪力墙结构水平位移示意图

结合本类型结构，底部裙房框架柱承担的地震剪力及倾覆力矩有限，且底部框架裙房层数较少，裙房框架从主楼平面延伸范围有限，若让该部分框架作为高层剪力墙的二道防线，有限数量的框架柱按JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》8.1.4 条的调整方法进行调整，显然起不到二次防线的作用，且不经济。实际上弹性阶段，剪力墙与底部框架协同工作如图3a 所示；进入塑性阶段后，框架形成塑性铰，如图3b 所示，水平地震剪力均由剪力墙承担，裙房框架受力仅承受竖向荷载，显然更符合本类型结构的设计要求。此外，与普通框架-剪力墙结构相比，高层剪力墙结构底部设置少量框架裙房，剪力墙间距一般较框架柱柱距小，不会产生图2 所示框架实际位移较计算位移大的情况，故笔者认为该类型结构不需按照框架-剪力墙结构对框架柱内力进行调整，实际上，进入塑性阶段，适当提高底部剪力墙的内力更为合理。

图3 协同工作示意图

5 剪力墙地震作用调整的实用计算方法

为分析底部框架部分对该类型结构地震作用产生的影响，以底部剪力法为例，推导剪力墙地震作用调整近似计算方法。根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016 年版）5.2.1条，水平地震作用计算按下列公式确定：

式中，FEk为结构水平总剪力；α1为水平地震影响系数值；Geq为结构等效总重力荷载；Fi为质点i 的水平地震作用标准值；Gi、Gj分别为集中于质点i、j 的重力荷载代表值；Hi、Hj分别为质点i、j 的计算高度；δn为顶部附加地震作用系数；ΔFn为顶部附加水平地震作用。

由底部框架承担地震剪力及倾覆力矩对比可知，此类型结构，底部框架部分刚度较小，抵抗水平力的贡献较小，可以近似假定其对结构整体周期不产生影响。与无底部框架裙房的纯剪力墙结构对比：式（1）中水平地震影响系数α1不变，主要变化为结构等效总重力荷载Geq；根据式（2），在层高不变的情况下，各层地震剪力的变化主要取决于结构等效总重力荷载及各层重力荷载代表值，偏安全地将底部裙房框架的质量分摊到上部各层剪力墙，即剪力墙各层地震作用调整系数应按底部考虑裙房部分结构等效总重力荷载与不考虑裙房部分结构等效总重力荷载的比值计算，见式（4）：

式中，ηw为剪力墙地震作用调整系数；为考虑裙房部分结构等效总重力荷载；为不考虑裙房部分结构等效总重力荷载。

实际建模计算过程中，一般建立2 个计算模型，模型一为整体模型，包含裙房框架部分，模型二为不考虑裙房部分纯剪力墙结构模型。分别计算，分别读取结构等效总重力荷载，计算其比值，确定剪力墙地震作用调整系数；再将该系数代入不考虑裙房的纯剪力墙结构模型中，作为地震作用放大系数。

将该计算结果与整体模型包络，用于剪力墙设计；裙房框架部分设计按整体计算模型设计，无须进行框架柱内力调整。

本项目按上述原则，建立2 个模型，分别读取结构等效总重力荷载，代入公式（4），剪力墙地震作用调整系数ηw为22 106.494/19 773.23=1.12。将该系数作为模型二的水平地震作用放大系数进行结构计算，对比2 个模型首层剪力墙X、Y向总剪力如表5，底部2 层剪力墙按模型二进行设计，首层剪力墙地震剪力放大约1.08 倍。

表5 底部剪力墙总剪力对比kN

6 抗震措施

6.1 抗震等级

根据JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》8.1.3条，框架部分承受的地震倾覆力矩不大于总地震倾覆力矩的10%时，按剪力墙结构设计。故该类型结构中剪力墙的抗震等级按剪力墙结构确定抗震等级；对于裙房框架部分的抗震等级，是否需执行JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》8.1.3 条中“其中框架部分应按框架-剪力墙结构的框架进行设计”，争议较大。

结合本工程实例，建筑高度61.5 m，抗震设防烈度8 度（0.2g），剪力墙结构，根据JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》3.9.4 条，主楼剪力墙抗震等级为二级；裙房框架的抗震等级，若按框架剪力墙结构确定，则框架抗震等级为一级，裙房框架的抗震等级高于主楼显然不合理，如图4a 所示。

该类型结构中的裙房框架，抵抗水平作用的贡献较小，地震作用几乎由剪力墙承担，笔者认为盲目执行JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》8.1.3 条中“其中框架部分应按框架-剪力墙结构的框架进行设计”这一条文，将框架裙房的抗震等级提高没有必要，也不经济。裙房局部框架抗震等级同剪力墙抗震等级即可，见图4b。与其加强裙房框架的抗震等级，不如加强主楼剪力墙在裙房顶板上下各一层范围内的抗震构造措施，对提高该类型结构的抗震性能更为有效。

图4 抗震等级示意图

6.2 构造措施

与普通的剪力墙结构相比，底部设置少量裙房框架的剪力墙结构，应注意以下构造措施：

1）避免错层，方案设计阶段裙房楼板标高宜尽量同主楼部分楼板标高一致；若局部错层，对错层剪力墙尚应提高水平及竖向分布钢筋配筋率，应不小于0.5%，墙厚应不小于250 mm，且应设置与之垂直的墙肢或扶壁柱。

2）为保证裙房地震力合理的传递，裙房顶板上下各一层范围内主楼及裙房楼板宜采取加强措施，板厚宜不小于130 mm，双层双向配筋，配筋率宜不小于0.25%。

3）为避免裙房框架梁梁端面外支承在主楼剪力墙上引起主楼剪力墙局部开裂，在裙房框架梁梁端的剪力墙处宜设置端柱或扶壁柱。本项目中，如图5 所示位置，裙楼框架楼与主楼剪力墙相交处均设置类似端柱。

图5 剪力墙端柱平面布置示意图

4）防止裙房基础与主楼基础之间的差异沉降，裙房与主楼之间宜设置沉降后浇带，或裙房待主楼沉降稳定后再行施工。

7 结语

针对高层剪力墙结构底部设置少量框架裙房的建筑，结合工程实例，从裙房框架承担底部倾覆力矩、框架柱与剪力墙内力调整以及构造措施等方面进行探讨，得出以下结论，以供相同类型工程设计参考。

1）框架柱内力无须按框架-剪力墙结构进行内力调整，宜对裙房范围内主楼剪力墙内力按照重力荷载代表值放大倍数进行近似调整。

2）裙房框架抗震等级无须按框架剪力墙结构确定，建议与主楼剪力墙相同抗震等级即可。

3）主裙楼连接部位宜采取合理的构造加强措施，如避免错层，加强楼板以保证水平力合理传递，设置沉降后浇带，避免差异沉降等措施。