高层剪力墙结构案例分析计算

高层剪力墙结构案例分析计算

李春智

滨州市建筑设计研究院山东滨州256600

摘要：通过对同一工程竖向构件进行调整，分别计算其抗震性能，综合两次计算结果，对高层建筑工程的安全适用性和经济合理性进行比较分析。

关键词：剪力墙结构，抗震性能，经济合理性

在目前城市建设用地越来越紧缺，旧城改造步伐不断加快的背景下，高层住宅已经成为一种趋势，特别是在土地资源相对更为稀缺的市中心，高层住宅的集群效应将更为突出。开发高层住宅的优势是显而易见的，一是容积率比较高，同一地块能多盖房子，经济效益好，这点最重要；二是视野开阔，通风采光好，噪音和空气污染比较少；三是出入口集中，便于进行物业管理，比较安全；此外，现在的高层住宅往往楼间距比较大，可以腾出面积来做绿化和其他配套。伴随着我市房地产行业的快速发展，城市建设行业的规划、建设水平有了很大的提高，高层住宅已在二、三线城市大量建设，在高层住宅中最主要的就是剪力墙结构（由剪力墙同时承受竖向荷载和侧向力的结构）。

在剪力墙结构房屋中，剪力墙一般沿建筑物纵向、横向正交布置，它与水平向布置的楼盖结构组成一个具有很多竖向和水平向交叉横隔的空间盒子结构，因而具有刚度大，整体性强、侧向位移小、抗震性能好等优点；剪力墙结构的适用范围很大，从十几层到三十几层都很常见，它常被用于高层住宅和高层旅馆建筑中，因为这类建筑物的隔墙位置较为固定，布置剪力墙不会影响各个房间的使用功能，而且在房间内没有柱、梁等外凸构件，既整齐美观，又便于室内家具布置。

剪力墙结构不可避免的也存在一些缺点，由于多为小开间，建筑隔墙多为剪力墙，虽然可以采用较薄的楼板，但墙体太多，混凝土和钢筋用量增多，材料的强度得不到充分利用，既增加了结构自重，又限制了建筑的灵活多变；由于剪力墙结构的自重大，会带来较大的地震反应，无形中增加了上部结构与基础造价。

如何解决剪力墙结构在建筑布置和经济适用方面的缺点，成为目前设计工作中的重点和难点，下面我们通过对同一剪力墙结构竖向构件进行修改，分别计算其抗震性能，综合两次计算结果，寻找如何协调高层建筑的安全适用性和经济合理性。

下面就以某高层剪力墙住宅为例，来说明抗震性与经济性的矛盾冲突。本文的算例为山东省某小区11层剪力墙住宅楼，其结构形式为剪力墙结构，建筑总高度为32.95m，总建筑面积约为5487.18m2；地上11层，地下二层，与地下车库相连，地下室层高3.0m，其余层高均为2.95m；室内外高差500mm。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》7.1.4条，抗震设计的底部加强部位的高度可取底部两层和墙体总高的1/10中的较大值，经计算，本工程的底部加强区为地下一层到二层顶。

本工程的是以五十年作为基准期进行设计的，规范规定五十年对应的结构重要性系数取1.0，场地类别属Ⅲ类。根据抗震设防分类标准，本工程为标准设防类，7度设防，地震加速度为0.10g，地震分组为第三组，水平地震影响系数max取0.08，特征周期Tg为0.65。本工程属于A级高度房屋，剪力墙结构抗震等级为三级。

在设计中的主要指标有位移比（层间位移比）、周期比、刚度比、刚重比、轴压比、剪重比，下面结合本工程介绍一下比值的控制。

位移比是指楼层竖向构件的最大水平位移与平均水平位移的比值。而层间位移比是楼层竖向构件的最大层间位移角与平均层间位移角的比值。位移比（层间位移比）的控制目的是：1）保证主体结构基本处于弹性受力状态，避免混凝土墙柱出现裂缝，控制楼面梁板的裂缝数量，宽度。2）保证填充墙，隔墙，幕墙等非结构构件的完好，避免产生明显的损坏。3）控制结构平面规则性，以免形成扭转对结构产生不利影响。

第1计算模型在工况1中X方向地震作用下的楼层最大位移为1/1338.（第7层）；工况4中Y方向地震作用下的楼层最大位移为1/1241.（第8层）。第2计算模型在工况1中X方向地震作用下的楼层最大位移为1/1365.（第7层）；工况4中Y方向地震作用下的楼层最大位移为1/1332.（第8层）。

周期比即结构扭转为主的第一自振周期（也称第一扭振周期）Tt与平动为主的第一自振周期（也称第一侧振周期）T1的比值。周期比主要控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响，使结构的抗扭刚度不能太弱。因为当两者接近时，由于振动藕连的影响，结构的扭转效应将明显增大。

第1计算模型：Tt=0.8450，T1=1.0725，Tt/T1=0.788<0.9；第2计算模型：Tt=0.8254，T1=1.0085，Tt/T1=0.818<0.9型；由于增加竖向构件，第2模型的平动周期和扭转周期均小于第1模型，但是第2模型增加的为中部竖向构件，对平动刚度的贡献要大于对扭转刚度的贡献，所以，第2模型的周期比大于第1模型，在地震力作用下振动藕连的影响加大；两次计算均采用9个振型，计算振型参与质量不小于总质量的90%。

刚度比指结构竖向不同楼层的侧向刚度的比值（也称层刚度比），该值主要为了控制高层结构的竖向规则性，以免竖向刚度突变，形成薄弱层。对于地下室结构顶板能否作为嵌固端，转换层上、下结构刚度能否满足要求，及薄弱层的判断，均以层刚度比作为依据。《高层建筑混凝土结构技术规程》提供有三种方法计算层刚度，即剪切刚度、剪弯刚度、地震剪力与地震层间位移的比值。

刚重比指结构的侧向刚度与重力荷载设计值之比称为刚重比。它是影响重力二阶效应的主要参数，且重力二阶效应随着结构刚重比的降低呈双曲线关系增加。高层建筑在风荷载或水平地震作用下，若重力二阶效应过大则会引起结构的失稳倒塌，故控制好结构的刚重比，则可以控制结构不失去稳定。

第1计算模型：X向楼层最小剪重比3.74%（Vx=2869.64），Y向楼层最小剪重比3.51%（Vy=2693.26），均大于抗震规范（5.2.5）条要求的楼层最小剪重比=1.60%；第2计算模型：X向楼层最小剪重比3.88%（Vx=3000.07），Y向楼层最小剪重比3.71%（Vy=2867.84），也均大于抗震规范（5.2.5）条要求的楼层最小剪重比=1.60%；因增加竖向构件，第2模型的X向和Y向剪重比较第1模型均有提高：X向3.88%>3.74%，Y向3.71%>3.51%；由此可见增加少许竖向构件，在工程的总重力荷载变化不大的情况下，结构的周期减小，刚度加大，因此结构的地震反应加大，地震作用下结构的楼层剪力增大，相应的受力及配筋均有增大。

除了以上控制指标外，为有效控制结构的成本，在结构设计中首先要选择轻质高强的建筑材料，比如建筑隔墙应尽量用加气混凝土砌块、轻质隔板等替代重砌块砌体，这样可以有效减小结构荷载，削弱地震作用，还可以降低基础成本；钢筋优选新三级钢，钢筋的计算面积会变小，施工更为方便；对结构荷载的统计要严格按照《荷载规范》确定荷载的取值；结构方案合理的布置也可以有效控制结构成本；通过上述比较计算表明竖向构件的改变对结构的控制指标影响较大。

本工程根据场地类别和地震分组得出Tg=0.65，第1模型T1=1.0725，第2计算模型T1=1.0085，T1越大则地震影响系数越小，由于第1模型刚度小，所以地震力较小，所以第1模型的经济型较好；剪力墙结构应取小值，本工程周期接近于框架结构的周期，目前剪力墙结构的计算周期均较大，设计时由于建设单位过于要求经济性，结构的各项指标均按照规范规定的底线进行设计，所以第1模型竖向构件较少，所以含钢量相对较低，而第2模型刚度较大，含钢量较大；第1模型安全度和含钢量均较低，第2模型安全度和含钢量均较高，这样就需要设计人员凭经验和责任来判断。