上海某剪力墙高层住宅的结构设计

张 宇

1 工程概况

上海某住宅小区位于御桥居住区规划五街坊内，范围西起咸塘浜，东至御山路，南靠在建住宅用地，北邻御桥路;总建筑面积84 950 m2，基地面积50 000 m2;包括5幢高层住宅、2幢小高层住宅和9幢多层住宅，其中15号住宅楼地上23层，层高2.80 m，室内外高差0.45 m，室外地坪至主体结构檐口的高度为64.85 m，基础埋深为3.65 m。由于平面超长(49.25 m＞45 m)，故设置伸缩缝将结构分为两个独立的单元进行设计。建筑物的长宽比L/Bmax=24.6/17.2=1.43 ＜5，高宽比 H/B=64.85/17.2=3.77 ＜6，符合规范要求;建筑立面无收进凸出;故属于平面及立面均规则的高层建筑。

剪力墙混凝土强度等级为C30，为方便施工，楼板和梁的混凝土强度等级同墙体一致取C30。墙、梁、板内受力筋选用HRB335级，分布筋选用HPB235级。

2 地基基础设计

工程地质报告提供的地基土层分布情况及物理力学特性见表1。场地的地震基本烈度为7度，由于在15.0 m深度范围内无成层连续分布的饱和砂性土和砂质粉土存在，故不存在地基土的液化问题。

表1 地基土层分布及物理力学特性

上海地区为Ⅳ类场地，地下水位较高，上部土层软弱，天然地基不能满足工程对地基承载力和沉降的要求，经过充分的技术经济分析比较，决定选用预应力高强混凝土管桩(代号PHC)，桩径500 mm，桩长46.5 m，持力层为⑦1草黄色粉砂层，单桩竖向抗压承载力设计值Ra=2 560 kN。室内地面设计标高±0.000相当于结构标高4.650 m(吴淞高程)。

本工程在初步设计阶段，曾设置有一层地下室，层高为3.3 m。在施工图阶段，由于业主一再要求建筑功能不需要地下室，故建筑不设地下室，而结构设计时基础埋深仍取3.65 m(室外地坪至承台底)，以满足《高规》第12.1.7条2款H/18的埋深要求。

桩基承台采用墙下条形承台，单排布桩。因为上部结构为剪力墙，且荷载分布较为均匀，故所有管桩均布置在墙下，基础梁截面取700×800(b×h)，钢筋按构造配置。基础沉降计算采用上海同济启明星桩基设计计算软件Pile2006，按常规桩基的Mindlin应力法单向缩分层总和法计算，经计算桩基的平均沉降量估算值为48.3 mm，符合有关规范要求。

经三维空间设计分析软件验算，结构的整体稳定和抗倾覆能力均能满足要求。为了进一步保证基础对上部结构的嵌固作用，设计中还采取了如下加强措施:1)桩筋锚入承台梁内40d，以保证基础对上部结构的嵌固作用和整体作用;2)底板与护坡桩之间采用C10素混凝土灌实，加强侧限以提高结构稳定性和基础的抗滑能力。

3 上部结构设计与计算

3.1 结构体系及设计参数

由于15号楼建筑平面长度为49.45 m(超出现浇剪力墙结构温度伸缩缝的长度限值)，故在平面中部设置250 mm宽的伸缩缝(同时满足抗震缝的宽度要求)，将整个结构分为左右两个对称的平面。结构整体计算采用中国建筑科学研究院开发的PKPM软件中的SATWE(高层版)模块，并采用PMSAP做补充计算;位移参数控制计算时采用离散模型，内力配筋计算时采用整体模型。

15号楼采用剪力墙结构;考虑抹灰粉刷层重量后，混凝土的重度取27 kN/m3;建筑抗震设防类别为丙类;地震设防烈度为7度;设计基本地震加速度值为0.10g;Ⅳ类场地;特征周期值为0.9 s;剪力墙抗震等级为三级;结构阻尼比为0.05;水平地震影响系数最大值为0.08;罕遇地震影响系数最大值为0.5;修正后基本风压为0.60 kN/m2(取100年一遇)，地面粗糙度为B类，结构体形系数为1.3。地震力按x，y两个方向计算，同时考虑扭转耦联;风荷载按x，y两个方向计算;恒、活荷载分开计算;恒载按模拟施工1加载;柱、墙、基础设计时活载按楼层折减;周期折减系数取0.95;计算取15个振型;连梁刚度折减系数取0.7;梁端负弯矩调幅系数为0.85;中梁刚度放大系数为2;梁扭矩折减系数为0.4;地震力的分项系数为1.2，风荷载的分项系数为1.4，恒荷载的分项系数为1.2，活荷载的分项系数为1.4。墙元细分中壳元最大控制边长为2.0 m;底部加强部位从基顶至8.38 m(层4楼面处)。

楼板的概念设计对结构刚度的实现起着举足轻重的作用，在保证结构平面整体性的同时尽可能减小板厚，降低自重的不利影响。标准层一般楼板厚110 mm，地下室顶板和屋顶楼板对刚度影响最大，将板分别加大为180 mm和120 mm，设置通长钢筋并将配筋加强，配筋率取0.25%。

另外楼面阳角处和跨度不小于3.9 m的楼板，也设置双层双向配筋，且阳角处钢筋间距不大于100 mm;跨度不小于3.9 m的楼板钢筋间距不大于150 mm;钢筋直径不小于8。外墙转角处尚应设置放射形钢筋，配筋范围大于板跨的1/3，钢筋间距不大于100 mm。对于楼、电梯间开大洞口处的周围楼板厚度取120 mm，并按双层双向配筋，以增加楼板平面内的刚度;在结构整体计算时，将该部分楼板定义为弹性板。

鉴于对于⑤轴～⑥/Ⓓ轴处的凹槽较深(凹进为2.25 m，占该部分楼板投影方向总尺寸的21.13%)，虽然不大于30%，但也属于平面薄弱部位，故在凹槽处隔层设置截面200×300连梁，并在凹槽内侧设置1.2 m宽120厚的拉结板带，使结构计算模型满足平面无限刚性的假定。

剪力墙的厚度及连梁的高度对结构整体刚度起决定性作用:结构刚度大，使得地震作用构件的尺寸和配筋加大，造成浪费;结构刚度小，会使结构在正常使用条件下的位移偏大，影响承载力、稳定性和使用。

在工程的初步设计阶段，笔者就从“概念设计”出发，合理布置结构构件，既要满足安全度要求，又要使结构具备一定的延性，达到有效地地震耗量效果。地面以下剪力墙厚取250 mm;地面以上剪力墙厚取200 mm;连梁以200×400为主。

表2 三维空间有限元分析结果

3.2 电算分析结果及判断

电算分析采用三维空间有限元SATWE程序，PMSAP程序做补充计算;计算时考虑扭转耦联和偶然偏心影响，结构振型数取15个，按《高规》要求分别对正交(xoy坐标系)方向进行多遇水平地震作用下内力和变形分析，计算结果见表2。

将SATWE电算结果与PMSAP电算结果相比较，两个程序分析的结构自振周期相近，第一、二主振型均为平动振型;两种程序分析的结构最大层间位移也相近，发生的层号相同;PMSAP分析的层间位移还略大于SATWE分析结果，与两种程序分析的结构自振周期分别相符。

由表2可知，结构在地震和风荷载作用下位移值均在规范要求的限值内，并且以扭转为主的第三振型周期T3与以侧振为主的第一振型周期T1之比值均小于0.85，仅在X+5%作用下层2的楼层弹性最大层间位移与平均层间位移比值为1.40，说明结构的质量与刚度分布不均匀、不对称，此时应考虑计算“双向地震”作用的情况。根据SATWE的用户手册，当同时勾选“偶然偏心”和“双向地震”作用后，程序按两者不利情况进行设计，并非叠加设计，故按同时勾选“偶然偏心”和“双向地震”再算一次，并按此结果进行配筋。

经过两种程序的分析和对比，15号楼抗震设计的各项主要计算数据均可满足规范的要求。

对于本工程存在的少量短肢剪力墙构件，根据文献［2］，不必遵守《高规》第7.1.2条规定。由于《高规》表7.2.14未给出三级抗震时剪力墙的轴压比，在此笔者建议按0.7控制，以增加结构延性，改善结构的变形能力。

4 结语

建筑结构应避免出现以扭转为主要成分的主振型结构，当出现时应调整结构刚度，即提高抗扭刚度，降低侧移刚度或同时调整结构质量分布。

对这类结构建议采用两种以上三维空间有限元计算程序分析，应计算双向水平地震作用效应并计及扭转影响，选取足够的振型，使振型参与质量不小于90%，并应对各种程序的计算结果进行对比分析，必要时应再次调整结构布置，使计算的内力和变形等数据能满足建筑抗震设计规范的要求。在施工图设计时提高抗震构造措施，可采取以下措施:

1)根据结构的重要性和动力特性提高结构抗震等级;

2)严格控制剪力墙(特别是短肢墙)的轴压比;

3)提高剪力墙截面构造要求，控制剪力墙的高厚比，适度增加墙厚，提高配筋率，将约束边缘构件的层数增加若干层;

4)适度增加楼面刚度，使其符合平面内无限刚假定，增加板内配筋率，必要部位楼板钢筋双层双向贯通;

5)建议增加弹性阶段的时程分析，校核结构的内力和变形。

［1］ JGJ 3-2002，高层建筑混凝土结构技术规程［S］.

［2］ GB 50010-2010，混凝土结构设计规范［S］.

［3］ GB 50011-2010，建筑设计抗震规范［S］.

［4］ 上海市地方标准，建筑抗震设计规程［S］.