高烈度地区高层剪力墙结构优化设计

李森宇（中交建筑集团有限公司，北京 100020）

建筑行业资源消耗量巨大，占用大量自然资源、土地资源、能源，并产生大量建筑垃圾，对环境影响非常大。随着绿色建筑发展，各地对装配式建筑提出新的要求，高层结构设计也要紧跟建筑行业发展，将新的装配式建筑纳入传统结构计算中[1]。为了找到高烈度区较优的结构解决方案，提高经济效益。本文通过深入研究在高烈度地区实际项目中存在的问题，通过合理的结构方案比选，结构计算软件参数的合理选择，寻求高烈度地区结构安全性和经济性平衡点[2]。地产行业已告别粗放型发展的时代，对于项目的成本控制和精益化设计将成为下一步发展的重点[3]。

1 工程概况

海口市某高层住宅项目，占地面积994.62m2，总建筑面积23686.38m2，建筑高度76.8m，剪力墙结构，结构使用年限50年，抗震设防烈度8 度（0.3g），存在近场效应，项目场地类别Ⅱ类，设计地震分组第二组，地上25层，地下1 层，桩基础，勘察等级为乙级，嵌固端部位在基础顶。地基土②层粉砂在8 度地震作用下会发生中等液化，建筑场地属于对建筑抗震不利地段，消除液化的影响后，可进行本工程的建设。

2 结构方案布置

2.1 场地类别

项目场地类别Ⅱ类，地勘报告中建议按插值方法确定地震作用计算所用的特征周期，高烈度地区场地类别的判别对结构至关重要，对经济性影响很大，一般应根据勘察报告确定。本项目按照查表结果特征周期为0.4，按照差值法特征周期为0.46，后者较前者地震作用效应值增大12%。

2.2 基础布置

本项目采用桩筏基础，筏板采用等厚1200mm厚度筏板，桩基采用预应力高强混凝土管桩，桩型为HPC 500AB125。

对于桩的选型，需因地制宜，既要对场地土质进行深入分析找到经济合理的布桩方案，也要兼顾地方的使用习惯。桩基规范规定，8 度及以上区域，不宜采用PC和PS桩，很多从业人员误以为所有预应力混凝土管桩和方桩都不能利用，其实，PHC和PHS并不在此列。

2.3 上部结构布置

本案例位于海口市，八度半地区并伴随近场效应，上部结构中外墙采用全铝模现浇工艺，内部剪力墙采用了EMC 方案，根据《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ1-2014）[4]，预制和现浇墙体处于同一层时，现浇部分的地震作用下M和V宜乘以不小于1.1的增大系数。在进场效应放大系数和1.1增大系数双重作用下，采取避开底部加强区，只在非底部加强区采用EMC 装配式剪力墙。此做法可保证受力最大部位不再进行双重放大。

图1方案中设置有个别柱子，此时结构体系还是剪力墙体系，柱子的抗震等级可按照框架剪力墙结构来判别。

图1 方案布置图

3 结构优化方案

3.1 基础优化

基础设计中控制造价重点在筏板厚度、筏板配筋率选取、桩承载力系数大小、是否采用桩土共同作用[5]、是否对桩进行破坏性试验。

桩基选型不仅要从技术上考虑，还要从地方规定和地区常用做法上衡量。沿海一带因为适宜性和经济性比较广泛采用预应力管桩，而比如某些8 度区，地方规定禁止采用预应力管桩。

应明确单桩极限承载力的选择是采用试验桩还是估算值，有一定规模的工程，应提前进行破坏性试验[6]。高烈度区桩的布置，单桩极限承载力决定着最终的桩数，对基础经济性起着至关重要的作用，可通过计算和做破坏性试验摸清桩的力学性能。很多工作人员对于做试验桩并做破坏性的重要性认识不足，试验桩最大加载量可取特征值三倍，如果仅仅加载到两倍，起不到任何优化作用。在实际项目操作中所有主楼的桩型、桩长和承载力取最不利勘探孔数值，这样会造成极大浪费。应以单体建筑为单位，可取不同桩长、桩径，根据地勘提供的地质剖面图划分出差异，如果单体建筑桩数超过100根，则优先考虑不同桩型。地质条件是动态变化的，即使相同的桩径和桩长，单桩承载力也可能不同，不应取最不利孔位的参数。对于面积较大的地库，地质条件变化更大，更应该通过桩型、单桩承载力的变化来降低基础成本。

布桩方案存在精细化和经济型布置方法，从经济性出发，尽量不要全面布桩，而采用局部布桩。尽量不要满堂布桩均匀布桩，而应该将桩集中在墙下面，这样既对冲切验算有利，也不会造成异常大的配筋。

筏形基础具有整体刚度大、施工便利、可抵抗不均匀沉降的特点，缺点是材料用量相较桩承台用料较多且二次传力受力复杂。整体式筏板基础分为梁板式和平板式，梁板式相较于平板式配筋形式更复杂，多了箍筋和腰筋，平板式配筋则主要取决于板的厚度，按照构造配筋率拉通并在不足之处附加。所以平板式相较梁板式在施工上和经济性上更有优势。

3.2 上部结构优化

高烈度地区高层结构优化，首先应对荷载进行梳理，避免荷载计算不准确，造成结构整体质量不准确。应对模型中结构总质量进行初步判断，根据规范剪力墙结构的大体质量在13kN/m2～16kN/m2每层，如果手算和机算总质量出现较大差异,需对模型进行重新梳理。

周期折减系数的取值反映隔墙对整体刚度的贡献[7]，高烈度地区隔墙较少，可适当提高周期折减系数，减小地震力。计算模型中需勾选梁墙自重扣除与柱重叠部分，减小重力荷载代表值。墙梁跨中节点作为刚性楼板从节点是否勾选，对位移角和连梁配筋影响非常大，位移指标版本和配筋版本可分别进行尝试计算。

规范中规定质量和刚度明显不对称的结构，应该计入双向地震[8]，所以是否考虑双向地震的落脚点放在了判定质量和刚度明显不对称的结构。建议参考《技术措施》2009给出的建议，在不考虑偶然偏心影响下位移比大于或等于1.3，则考虑双向地震。

结构设计应尽量避免扭转，将刚心和质心尽量贴近。通过模型调整，第一平动和第二平动周期中，扭转份额占比较小，第三扭转周期中，平动周期占比较小，见表1。

表1 周期信息（强刚模型）

在模型计算中，往往由于建筑图的不规则造成第一二平动周期占比过大，这时需参照振型图，找到刚度较弱的部位，进行截面调整，重新进行试算。

下面采用不同的周期折减系数，对大指标进行分析，见表2和表3。

表2 最大层间位移角

表3 墙梁跨中节点作为刚性楼板从节点

3.3 连梁超限处理方法

在剪力墙结构中，连梁刚度相对于剪力墙来说，其刚度是非常小的，但在烈度较高的情况下，连梁会分配较大的弯矩和剪力，造成配筋困难，所以允许连梁适当开裂，由剪力墙来承担弯矩和剪力。

规范条文中指出，在计算位移指标时，连梁刚度可以不折减，从概念设计上来说，控制位移比的目的是为了保证结构有足够的刚度。位移比属于刚度要求，连梁周期折减系数则属于构件级别的参数，两个参数应协调统一，保证结构的抗震水平。从抗震概念上讲，连梁属于第一道防线，应先于剪力墙屈服，所以在进行位移角、刚度规则性和扭转规则性判别时，连梁刚度不应折减。

对于连梁剪压比超限问题在七度或八度区经常出现，在八度区中更是一个不可绕过的话题。连梁对于剪切应变十分敏感，在小跨高比情况下尤其突出，即使配上很多抗剪钢筋，也不能满足剪压比要求，见图2。

图2 连梁剪压比超限图

计算时，首先应对连梁剪压比超限的数量情况进行判别，建议如果有30%的连梁超限，应调整结构布置方案，增加墙肢的刚度，并减小连梁截面。

规范中给出了几个剪压比超限的解决方法[9]，包括交叉斜筋、对角斜筋、对角暗撑，但要对其适用梁宽进行区分，交叉斜筋适用梁宽250mm，而对角斜筋和对角暗撑适用梁宽400mm。在常规高层住宅上部结构中梁宽一般要与墙厚取等值，墙厚普遍在180mm、200mm、220mm或250mm，所以交叉斜筋适用范围更广。

但在实际施工当中交叉斜筋复杂的配筋方式并不利于现场施工。高烈度区连梁超限的根本原因是因为强连梁分配的水平地震力过大，所以适当降低梁高有利于减小梁的刚度，分配的水平地震力会相应减小。将连梁刚度折减系数进行适当调整也是一个可行的办法，但应注意计算大指标时，应将连梁刚度折减系数调为1。规范中建议八度区连梁刚度折减系数最小取为0.5。

连梁调幅一般有两个方法，一是按照高规在内力计算前对连梁进行调幅[10]；二是在内力计算后，对连梁的弯矩和剪力乘以折减系数。但是应注意，无论哪种方法，调幅后的M和V设计值不应低于使用阶段的值，不宜低于降一度情况下的M和V设计值，并不应低于风荷载作用下的连梁弯矩，这样做是为了保证连梁在较小作用下即产生了裂缝。

4 结语

通过对计算模型中周期折减系数、梁墙自重扣除与柱重叠部分、墙梁跨中节点作为刚性楼板从节点等几个参数进行对比分析，找到了高烈度区位移角的主要影响规则，对结构计算提供支持。

对基础形式和影响参数进行分析，得出快速衡量桩基础经济效益的方法。对筏板的方案选择和配筋方法进行讨论，分析了规模较大项目进行桩破坏性试验的必要性，给出了可以实际应用的压桩力。并对桩型、桩长和承载力在不同地址条件下的差异性进行分析。

对连梁剪压比超限的机理进行分析，分别围绕周期折减系数、减小梁高、配置交叉斜筋三种方法进行讨论，提出可实际应用的参数，并对其适用范围和注意事项进行讨论。