浅谈高宽比超限高层剪力墙结构设计要点

（甘肃省建筑设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000）

0 引言

居住空间的舒适性是人们追求的目标，为了更好的通风、采光等条件，薄型建筑出现得越来越多，这对于结构工程师在房屋高宽比抗震性能研究和高宽比超限抗震加强措施方面的要求也越来越高。高宽比的控制不仅体现在经济性上，其限值也不是一个简单的经验性宏观数据，而且与结构整个体系的设计密不可分。钢筋混凝土剪力墙结构作为优选的结构型式之一，主要受力构件剪力墙的设计不仅要遵循短肢剪力墙较少、外纵墙宜全部落地、确定合理抗震性能目标的总体设计，还应采取比规范、规程更严的抗震措施和抗震构造措施，才能保证结构在各个地震水准下可靠的安全性和功能性。

1 规范要求

实际工程中常会遇到高宽比超限的结构。当8度区的高层板式建筑(住宅或酒店)进深为14～16m时，只要结构稍微有些设计高度，就会面临高宽比超限问题。高宽比是衡量结构抗侧刚度、整体稳定性、抗倾覆能力、承载能力和经济合理性的一个宏观指标，可以对结构形体的合理性作一个初步判断。

《高层混凝土结构技术规程》（以下简称《高规》）第3.3.2条对高层建筑最大高宽比的限值与结构型式有关，不再区分A级高度和B级高度高层。目前来看，这个限值的经济性、合理性是经过许多实际工程检验认可的。《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（以下简称《超限审查要点》）中虽未对高宽比有明确限值，但在实际的超限审查中会予以考虑。近年来，甘肃省超高层住宅建筑越来越多，针对这一情况，出台了《甘肃省钢筋混凝土高层建筑结构高宽比超限抗震措施暂行规定》（以下简称《暂行规定》），解决了房屋高宽比较大时设计人员无相应的设计依据、采用的计算分析方法及措施差异较大、审查人员缺乏统一的定量审查标注等问题，就高宽比适用范围、设计原则、总体设计、抗震验算、构造措施提出了统一规定。同时，甘肃省超限高层建筑工程抗震设防审查专家委员会还编写了《板式超高层住宅剪力墙结构高宽比超限抗震加强措施控制指标表》，规定了高宽比范围比2012年版《高规》限制大于1、小于4情况的抗震加强措施。这些举措都为房屋结构设计的安全性提供了保障。

2 抗震计算要点

2.1 轴压比

剪力墙结构最大轴力往往集中在底层，而底层也是弯矩和剪力相对较大区域，这就导致高层剪力墙结构的底部墙体在轴力、剪力、弯矩共同作用下更加危险，需要严格控制此处轴压比。轴压比与剪力墙抗震性能有着密切的关系，当其在一定程度增大时，会抑制墙体自身混凝土的开裂，增强剪力墙的承载能力，是有利的，但是当其超过一定界限时，墙体会因为材料之间的延性差距，反而降低了墙体的承载能力。轴力对剪力墙的承载力、延性、侧向刚度、塑性铰范围影响很大，合理地确定轴压比对控制剪力墙抗震性能非常重要。

《超限审查要点》中建议应根据本地区烈度、结构超限程度和构件在结构中所处部位及其破坏影响的不同，分别规定合理的轴压比限值，并严于规范要求。《暂行规定》中更是明确要求：严格控制外纵墙轴压比，其限值应比按《高规》表7.2.13对应数值低0.1。

2.2 剪重比

剪重比规定了楼层的最小地震剪力，保障结构的抗震性能，为后续地震倾覆力矩、构件内力、位移等计算的合理性提供了保障，增加了结构的安全性。实际工程中，剪重比应控制在一定范围内，否则，要么墙体设置不足，承担地震力不够，结构安全性低，要么墙体过多，结构刚度大，且不够经济优化。

《高规》规定了最小剪重比限值，然而高宽比较大的建筑很多是在一个方向由于空间等限制，存在两个方向剪力墙布置不均的问题，容易出现剪重比超限的情况。结构布置是否合理以剪重比作为指标之一，其他还有刚度比等。

2.3 名义拉应力

在地震高烈度区，超限高层建筑结构要验算中震作用对底部竖向构件的拉压影响，很可能出现部分墙肢受拉的情况。如果墙肢受到小偏心受拉，很可能此时拉应力大于混凝土抗拉强度标准值，会导致剪力墙的抗剪承载能力下降，也就意味着该情况下的剪力墙抗侧刚度降低，滞回能力急剧下降，形成脆性破坏，剪力墙会失去原有的设置意义。在中震作用下，需考虑结构的剪力墙抗拉性能。为了避免中震作用下带来的墙体受拉开裂破坏，建议在剪力墙墙肢中加入一定量型钢，这是经实践验证有效且实用的方法，保障结构在中震作用下的抗震性能。

《超限高审查要点》规定：中震时出现小偏心受拉的混凝土构件应采取《高规》中规定的特一级抗震构造措施，且控制双向水平地震下墙肢全截面由轴向力产生的平均名义拉应力在两倍混凝土抗拉强度标准值范围内。当仅超过混凝土抗拉强度标准值时，可采取设置型钢的措施来承担拉力。

3 常用措施和计算方法

3.1 结构布置和构造措施

多遇地震下的弹性层间位移角限值和罕遇地震下的弹塑性层间位移角限值设置均严于规范，增加横向两端部墙体长度并形成连肢墙，使得整体结构有较大的横向刚度及抗扭刚度。调整周边结构布置和构件尺寸，尽量减小结构扭转位移比，在不考虑偶然偏心的情况下，控制各层扭转位移比均小于1.2。加强薄弱层抗剪承载力，严格控制相邻层刚重比。

剪力墙的抗震性能在整体结构中至关重要，可采取以下措施：剪力墙外纵墙全部落地，严格控制外纵墙剪力墙的轴压比，提高外纵墙约束边缘构件抗震等级，提高外纵墙约束边缘构件的最小配筋率、配箍特征值等。严格控制地震作用下的墙体剪压比，确保墙体在罕遇地震下不发生受剪破坏，保证性能设计目标。

3.2 计算方法

采用两个不同力学模型的结构分析软件进行多遇地震下的整体对比计算，补充弹性时程分析法进行多遇地震计算，保证计算结果的可靠性。进行设防烈度和罕遇地震下的构件承载力验算，计算底部墙肢水平分布筋、边缘构件纵筋、竖向分布筋，验算墙肢的名义拉应力，确保设防地震下墙体不承担拉应力，使底部墙体受剪截面均符合截面受剪限值条件，避免墙体在罕遇地震下的剪切脆性破坏。此外，对结构进行罕遇地震下的动力弹塑性分析计算，根据结构的变形情况和主要构件的塑性损伤情况，验证罕遇地震下结构的性能设计目标，从而分析结构的薄弱部位并进行加强。

4 工程实例

兰州市某高层住宅楼（属于省定高宽比超限的高层建筑工程），剪力墙结构，抗震等级8 度（0.2g），房屋高度98.63m，等效宽度14.042m（按3.5i计算），高宽比7.03，超规范限值2～3。

采用SATWE和YJK两个不同力学模型结构分析软件，进行多遇地震下的整体对比计算。采用YJK结构分析软件，用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算。用PKPM-SAUSAGE软件对结构进行罕遇地震下的动力弹塑性分析计算后得到以下计算结果：

多遇地震作用下，层间位移角限值按1/1050控制；罕遇地震作用下，层间位移角限值按1/135控制，各层计算值均符合要求（表1）。

表1 多遇、罕遇地震作用下最大层间位移角

2）底层墙、柱轴压比最大值0.40，比规范限值降低0.1（图1），地震剪力系数均大于0.032（表2），满足规范要求。

表2 地震剪力系数

3）墙体采取抗震构造措施：外纵墙约束边缘构件抗震等级提高至一*级，外纵墙约束边缘构件的最小配筋率≥1.45%（8Φ20），外纵墙约束边缘构件配箍特征值增大20%；约束边缘构件所在高度范围内剪力墙水平及竖向钢筋最小配筋率：外纵墙≥0.45%，外纵墙局部凸出墙≥0.50%，其他墙≥0.40%。

4）约束边缘构件高度取底部加强部位及相邻上二层；约束边缘构件之上增加二层过渡层。过渡层暗柱配筋率、墙体配筋率及配箍特征值取加强部位与上部墙体的中间值。

5）4#墙、5#墙、6#墙墙肢（图2）在设防烈度地震作用下混凝土全截面名义拉应力超过混凝土抗拉强度标准值但未超过2倍（表3），对上述墙肢采用型钢承担全部拉应力，确保设防地震下墙体砼不承担拉应力。

图1 底层墙、柱轴压比图

图2 单元墙体布置图（设防烈度）

表3 设防地震下底部加强部位墙肢名义拉应力验算

6）从大震计算得出的损伤图（图3）可见上部楼层外凸部位的外纵墙有轻微损伤，反映了本结构对高振型响应较大，该损伤对结构整体性能影响较小，故对该部位墙肢应加强配筋构造，保证其屈服后的延性承载能力与变形能力。

通过以上分析计算可知，针对本工程高度超限和高宽比超限问题，结构设计除符合现行规范对高层建筑的有关规定外，满足了《超限审查要点》和《暂行规定》要求，采取了更严格的针对性的抗震措施和预期性能目标，整体结构可实现“小震不坏、中震可修和大震不倒”的设防目标。

5 结论

高宽比超限应进行多遇地震下的弹性分析、设防烈度和罕遇地震下的构件承载力验算、罕遇地震下的弹塑性计算分析。控制弹性和罕遇地震下的位移比，结合轴压比、剪重比、刚度比等计算指标，采取严于规范要求的抗震措施和抗震构造措施，对结构整体把控、精准分析、措施到位。除此以外，还应关注高宽比较大结构的基础设计问题，进行结构整体抗倾覆及稳定验算，控制基础边缘不出现负应力，控制罕遇地震下基底零应力区、筏板外悬挑端基底压应力、边桩抗压抗拔承载力，控制大震作用下筏板外悬挑部位抗剪、抗弯、抗冲切承载力等。这些关键因素能为超限结构设计提供更经济的合理性和更可靠的抗震性能。