高层住宅剪力墙结构设计分析

蔡其克

摘要：剪力墙结构作为高层住宅中重要的结构形式，目前在建筑工程领域得到了广泛的应用。本文结合工程实例，通过介绍工程中的剪力墙布置和梁板布置，重点针对工程的计算结果进行分析。供相关设计人员参考与借鉴。

关键词：剪力墙结构；结构布置；成本控制；设计；计算分析

随着我国建筑工程行业的蓬勃发展，人们对于高层住宅中剪力墙结构的设计要求也越来越高。剪力墙结构作为建筑中重要的结构形式之一，有着抗侧移刚度大，承载力较高，抗震性能好和良好的经济性能的优点，能够有效地确保建筑功能和结构的安全性。而通过对剪力墙结构设计的进一步分析，希望能够对资源进行合理的配置，节约工程成本。从而发挥出更好的综合效益。

1工程概况

某商住楼，地上22层，地下1层，约68.55m,地上1～5层以下为商业广场，6～22层为住宅，总建筑面积约为32112m2，抗震设防烈度为7度。

2结构布置

本项目为两个称单元，300mm设缝分开，取其中一单元进行分析，结构标准层剪力墙平面布置图，如图1所示。

图1标准层剪力墙平面布置图

2.1剪力墙布置

在满足结构竖向及水平承重条件下，剪力墙多布置在隔墙位置的一般剪力墙，控制短肢剪力墙数量，减少边缘构件，同时满足剪力墙实现弯曲破坏的延性破坏模式。按照《高层建筑混凝土结构技术规程》(简称《高规》)对剪力墙截面厚度的要求，同时满足剪力墙轴压比要求:本工程中5层以下核心筒楼梯和电梯处为满足建筑功能要求，取160mm，250mm和300mm厚剪力墙，其余均为400mm，5层及5层以上住宅均为200mm。

2.2梁、板布置

高层住宅中，梁板跨度一般不大，除需要特殊处理楼板外，楼板的布置大多数为构造配筋。楼层梁的布置应有明确的传力路径，尽量避免多重的传力情况。为满足底部加强部位区剪力墙轴压比要求，剪力墙的混凝土等级取5层以下混凝土为C45，5～10层为C40，11～17层为C35，17层以上为C30。梁、板混凝土等级5层以下为C35，5层及5层以上为C30。

2.3结构规则性判断

规则的结构体系受力明确，能很好的实现结构工程师对概念设计的理念，是结构设计优先选择的方案。

(1)平面规则性判断。高层建筑抗震概念设计要求结构平面力求简单、规则，避免刚度、质量和承载力分布不均匀。由图1看出结构北向两侧形成狭窄部位，成为角部重叠结构，在地震中会因狭窄部位的应力集中使楼板开裂、破坏。这部分采用加厚楼板(取130mm)、增加板内配筋(8@150双层双向拉通配筋)、边梁设置集中配筋的方法予以加强。

(2)竖向规则性判断。结构竖向不规则指刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续、楼层承载力突变。《高规》中规定剪力墙结构中，楼层与其相邻上层的侧向刚度的比值不宜小于0．9；当本层层高大于相邻上层层高的1．5倍时，该比值不宜小于1．1；对结构底部嵌固层，该比值不宜小于1．5。本工程四层建筑层高是五层建筑层高的2倍，计算结果中第四层与第五层X向侧向刚度比值为1．124＞1．1，Y向侧向刚度比值为1．150＞1．1，结构没有形成刚度突变。该工程不存在竖向抗侧力构件不连续。

《高规》中要求A级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不宜小于相邻上一层受剪承载力的80%，不应小于其相邻下一层受剪承载力的65%。计算结果X方向最小楼层抗剪承载力之比为0．95；Y方向最小楼层抗剪承载力之比为0．99，结构未出现承载力突变。

3计算分析

本工程采用PKPM中的SATWE分析软件，1～5层定义为约束部位，考虑5%偶然偏心，水平地震影响系数取0．08，罕遇地震影响系数取0．5，风荷载体型系数取1．4，连梁刚度折减0．6，计算结果分析如下:

3.1嵌固端判定

嵌固部位关系到结构计算模型与实际受力状态之间的符合程度，涉及到构件内力和位移计算，高层建筑一般选择地下室顶板为上部结构的嵌固部位。《建筑抗震设计规范》(简称《抗规》中规定地下室顶板作为嵌固端应满足地上一层的侧向刚度不宜大于相关范围地下一层侧向刚度的0．5倍。该工程计算结果中X向地上一层与地下一层侧移刚度比值为0．3936，Y向地上一层与地下一层侧移刚度比值为0．4009，地下室顶板满足作为上部结构的嵌固部位的要求。

3.2最大层间位移角和层间位移比

本工程为剪力墙结构的高层建筑，在正常使用条件下，结构应具有足够的刚度，来满足结构的承载力、稳定和使用要求，这就要对结构的位移进行控制，不超过规范规定的限值。实际的计算结果如下:X方向最大层间位移角为1/1212，最大位移与层平均位移的比值为1．15；最大层间位移与平均层间位移的比值为1．18；Y方向最大层间位移角为1/1140，最大位移与层平均位移的比值为1．11，最大层间位移与平均层间位移的比值为1．10。结构满足弹性状态下的正常使用要求。

3.3结构抗扭刚度

地震作用下，扭转效应会导致结构严重破坏，对高层建筑的抗震极为不利。《高规》中把位移比和周期比作为控制高程建筑结构平面不规则扭转效应的重要指标。计算结果中，考虑扭转耦联时的振动周期(秒)、X，Y方向的平动系数、扭转系数见表1。

表1平动系数、扭转系数

由表2中数据可得以扭转为主的第一周期与平动为主的第一周期比值为0．784＜0．9，结构具有一定的抗扭刚度。

3.4结构整体抗倾覆验算

《高规》规定:在重力荷载与水平荷载代表值与多遇水平地震标准值共同作用下，宽高比大于4的高层建筑，基础底面不宜出现零应力区，对高宽比不大于4的高层建筑，基础底面与地基之间零应力区面积不应超过基础底面面积的15%。结构整体抗倾覆验算数据见表2，可见满足规范要求。

表2结构整体抗倾覆验算数据

3.5结构整体稳定验算

在水平风荷载或水平地震荷载作用下，影响高层建筑结构整体稳定的因素主要是结构的刚重比。当结构的刚重比小于结构的最低要求时，结构重力的P－△效应会急剧增加，可能会导致结构的整体失稳。在水平力用下，影响高层建筑结构整体稳定的因素主要是结构的刚重比。当结构的刚重比小于结构的最低要求时，结构重力的P－△效应会急剧增加，可能会导致结构的整体失稳。在水平力作用下，高层剪力墙结构的变形形态一般为弯曲性或弯剪型，当结构的刚重比小于1．4时，会导致P－△效应快速增加，甚至导致结构失稳，这是刚重比的下限要求，当结构的刚重比大于2．7时，重力P－△导致内力和位移增量在5%左右，即使结构的实际刚度折减50%的情况下，重力P－△效应仍可控制在20%以内，重力二阶影响很小，可以忽略不计。

计算结果中:X向刚重比EJd/GH2=4．20；Y向刚重比EJd/GH2=5．53，两个方向的刚重比均大于2．7，可以不考虑重力二阶效应。

3.6水平地震剪力系数

对于长周期结构，地震动态作用中的地面运动速度和位移可能对结构的破坏具有更大的影响，目前规范所采用的阵型分解反应谱法尚无法对此作出评估，出于对结构安全的考虑，提出了对结构中水平地震剪力及各楼层水平地震剪力最小值的要求，《抗规》5．2．5和《高规》5．4．4均以强制性条文对水平剪力系数作了规定。在水平地震作用下本工程水平地震剪力系数最小值为0．016，计算结果中1，2层水平地震剪力系数分别为0．154，0．158，均与0．016相差不大，可直接按0．016调整相应层的地震剪力。

4结语

综上所述，剪力墙结构的合理设计和优化布置对节约建设成本具有重要的意义。因此，应着重对结构的关键部位进行分析，确定合理可行的结构方案，采用较高强度的混凝土来保证剪力墙结构中下部的承载力，并通过对工程计算结果的分析，规范设计的要求。只有这样，才能够有效地在实现建筑工程和结构安全性的条件下，最大程度地节约建筑工程建设成本。

参考文献

[1]安兴宽，高层住宅框架剪力墙结构设计分析[J].山西建筑,2012.01

[2]张华锋,浅谈高层住宅剪力墙结构设计[J].建筑设计管理,2009.11