1、高层建筑框架混凝土剪力墙结构设计摘要:剪力墙结构凭借着较好的抗震性能，美观、使用功能也较佳的优点，在高层建筑中得到广泛的应用。但是目前，作为高层建筑中主要的结构形式，剪力墙结构设计水平亟待提高。本文就结合某高层建筑实例，分析剪力墙结构平面布置、板的设置以及上部结构的构造处理，结果表明整体设计满足业主和相关规范要求，可供类似高层剪力墙设计人员参考。 关键词:高层；剪力墙结构；设计；构造措施；电算分析 Abstract: the shear wall structure with a good aseismic performance, beautiful, use function also b
2、etter advantage, in high-rise building widely applied. But now, as in the structure of the high-rise building main form, the shear wall structure to improve design level. This paper is combined with a high building examples, the shear wall structure analysis of plane layout, plate setting and the st
3、ructure of the upper structure of processing, and the results show that the overall design meet the owner and the related standards and requirements for similar high-rise shear wall designers. Keywords: top; The shear wall structure; Design; Structural measures; Computer analysis 中图分类号： TU398+.2 文献标
4、识码：A 文章编号： 毫无疑问，高层建筑是社会发展的产物，是现代化、商业化、工业化和城市化的必然结果。为了满足高层建筑的抗震性和经济性，剪力墙结构是一个较佳选择。剪力墙结构承受竖向力、水平力的能力均较大，横向刚度大，具有较好的抗震性能，并且更为美观，使用功能也较佳，因此，剪力墙结构在高层建筑中得到广泛的应用。但是，随着人们对建筑的使用功能要求日益增加，也给剪力墙结构设计带来了不少难度，本文就对剪力墙结构的设计内容进行相关研究与探讨。 1 工程概况 某高层住宅小区，总建筑面积 54420m2，其中 3 号住宅楼地上 18 层，层高 2.80m，基础埋深为 365m。由于平面超长(48.13m45
5、m)，建筑物的长宽比 L/Bmax=23.55/16.35=1.445，高宽比H/B=65.11/16.89=3.856，符合规范要求；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 了解工程的地质条件是开展工作的关键。该建筑工程通过勘测地基土层分布与物理力学特性见表 1。场地的地震基本烈度为 7 度，由于在150m 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 该地区为类场地，地下水位较高，上
6、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 500mm，桩长 465m，持力层为1 草黄色粉砂层，单桩竖向抗压承载力设计值 Ra=2560kN。室内地面设计标高0000 相当于结构标高 4650m(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 33m。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 365m(室外地坪至承台底)，以满足高规第 1217 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
7、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700800(bh)，钢筋按构造配置。基础沉降计算采用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 483mm，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
8、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 4945m(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 250mm 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27kN/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 010g；类场地；特征周期值为 09s；剪力
9、墙抗震等级为三级；结构阻尼比为 005；水平地震影响系数最大值为 008；罕遇地震影响系数最大值为 05；修正后基本风压为 060kN/m2(取 100年一遇)，地面粗糙度为 B 类，结构体形系数为 13。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 095；计算取 15 个振型；连梁刚度折减系数取 07；梁端负弯矩调幅系数为 085；中梁刚度放大系数为 2；梁扭矩折减系数为 04；地震力的分项系数为 12，风荷载的分项系数为14，恒荷载的分项系数为 12，活荷载
10、的分项系数为 14。墙元细分中壳元最大控制边长为 20m；底部加强部位从基顶至 838m(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 110mm，地下室顶板和屋顶楼板对刚度影响最大，将板分别加大为 180mm 和 120mm，设置通长钢筋并将配筋加强，配筋率取 025%。 另外楼面阳角处和跨度不小于 39m 的楼板，也设置双层双向配筋，且阳角处钢筋间距不大于 100mm；跨度不小于 39m 的楼板钢筋间距不大于 150mm；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
11、的 1/3，钢筋间距不大于 100mm。对于楼、电梯间开大洞口处的周围楼板厚度取 120mm，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。 鉴于对于轴D 轴处的凹槽较深(凹进为 225m，占该部分楼板投影方向总尺寸的 2113%)，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 200300 连梁，并在凹槽内侧设置 12m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
12、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 250mm；地面以上剪力墙厚取200mm；连梁以 200400 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
13、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 085，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 140，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
14、”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，不必遵守高规第 712 条规定。由于高规表 7214 未给出三级抗震时剪力墙的轴压比，在此笔者建议按 07 控制，以增加结构延性，改善结构的变形能力。 4 结语 总而言之，高层剪力墙结构设计一项系统工作。在在高层剪力墙结构设计时，必须结合具体工程的特点，对其剪力墙的受力状态进行正确的计算分析，合理科学进行剪力墙的结构布置，任何遗漏或错误都有可能使结构设计成果存在一些不安全因素。并且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。只有这样，才能设计出既安全又经济实用的建筑精品。 参考文献 1 曹爱群，浅谈高层建筑框架剪力墙结构的设计J.工程与建设,2011.03 2 张彤彦, 钢筋混凝土框架-剪力墙设计中的若干问题J.中国水运(理论版),2007.05
