剪力墙偏置高层建筑结构设计探讨

孙敏

湖北省工业建筑集团有限公司设计研究院 湖北武汉 430000

摘要：随着建筑业的发展，立面及平面不规则的建筑越来越多，某些高层建筑因结构布置不合理导致结构超限，从而需要进行超限相关设计计算及补充性能化设计分析，不仅增加了设计周期，还增加混凝土和钢筋用量。针对结构自身特点进行优化，使结构体系满足国家及地方抗震规范的要求，保证结构具有良好的抗震性能，做到结构合理、经济性最佳。下面本文以某建筑为例对剪力墙偏置高层建筑结构设计进行简要探讨。

关键词：剪力墙偏置；高层建筑；结构设计；

1 工程概况

某高层建筑总建筑面积 7.37 万 m²，地上 5.81 万 m²，地下 1.56 万 m²，为集购物、休闲、办公于一体的综合建筑。地上 1~3 层裙房为商业，4~19 层塔楼为办公；2 层地下室为机动车停车库与设备用房。两栋塔楼建筑高度 78.95 m，平面为切角矩形，典型柱网 8.4 m×8.4 m。

2 结构体系设计

2.1 结构体系的确定

根据建筑规划设计，同时考虑结构的抗侧阻力，该塔楼的框架采用钢筋混凝土，结构体系采用剪力墙结构。在电梯筒中央的位置放置剪力墙，每层楼上的剪力墙均完整。将剪力墙和框架柱借助框架梁牢固地连接起来，加强空间作用力，这是抵抗侧向力的主要结构元素；裙房则是采用剪力墙框架体系。框架部分要采用与框架结构要求相适应的抗震措施。

2.2 楼盖体系

该项目应用现浇混凝土梁楼板系统，能增强平面强度，保证与抗侧力构件协同施工作业，平板结构使用在地下室地板上，且在地下第2层和第1层采用梁板，地下第1层的楼板结构采用横梁，使得整个结构的完整性和抗震性极佳。常见的钢筋混凝土梁板楼盖应用于裙房和塔楼的标准层施工中。竖向构件的混凝土强度等级从底部到顶部从 C60逐渐降低到 C30。梁板的混凝土强度等级中，对于地下室和裙房为 C35，对于塔楼为 C30。所有钢筋均由三级钢制成。

3 塔楼偏置分析

3.1 塔楼偏置加剧裙房屋面板水平力传递

大底盘塔楼偏置结构是一种抗震不利的复杂结构形式。大底盘塔楼偏置时，塔楼质心与裙房质心偏离，结构扭转效应明显，在地震作用下容易造成严重破坏，设计中应尽量避免或设缝将塔楼与裙房分开，使之受力简单合理。本工程裙房地上二层，高度 H₁=11.10 m ，H₁/H=11.1/43.4=0.256＞0.2，若裙房和主楼连为整体，经计算塔楼与底盘的综合质心偏心距大于底盘边长的20%，属于塔楼偏置结构，根据“判定表”，不规则项评分2分。经分析，此部位设置抗震缝对建筑平面使用及立面效果均影响较小，故采取设置抗震缝的方案将裙房与主楼断开进行处理。通过设置抗震缝高层主体部分无塔楼偏置问题，不规则项评分为0分。

3.2 塔楼偏置加剧裙房扭转不规则

根据 SATWE 程序分析表明，由于结构在中大型地震的影响下增加了扭转位移，因此在扭转敏感区域的竖向构件上出现了扭矩，使竖向构件产生扭曲、压缩、弯曲和剪切的复合体状态。因此，抗扭曲控制的关键是提高组件在扭曲敏感区域的抗弯曲、剪切和扭曲的能力。在结构设计中，对于敏感区域中的垂直构件，采用了一系列结构，如增加框架柱的横截面积，增加柱的垂直钢筋，增加外部箍筋直径等来增加抗震性。相应地，对于该区域中的水平框架梁，横截面变宽，通筋和腰筋增大，并且使得抗扭纵筋可以有效地固定。通过使用2层双向加固层并适当增加配筋率，并且该区域的楼板厚度应设置为150 mm。

3.3 塔楼与裙房相互影响的分析

单独建立1个无塔楼的纯裙房模型和1个无裙房的纯塔楼模型，有助于更好地了解裙房和塔楼之间的相互作用和相互影响。通过纯塔楼、纯裙房与整体模型计算结果可以发现，塔楼本身的扭曲效果通过底部5层3面的“牵扯”得到了加强。x 方向上的位移比从 1.20 增加到 1.27 ；位移比在 y 方向从 1.08增加到1.11。裙房本身的扭转程度因塔楼的偏置增强。扭转位移比在裙房 x 方向上从1.35提高到1.43，在 y 方向上，扭转位移比从1.32增加到1.47。受裙房“拉动”，塔顶顶点的位移的情况如下 ：在 x 方向上从36.72 mm 减小到27.73 mm，在 y 方向上从23.29 mm 减小到16.20 mm。6层楼板的塔楼和裙楼组合模型的位移在纯塔楼和纯裙楼模型之间。塔楼的平面体积比裙房的平面体积要小，因此组合模型通常情况下与纯裙房模型的位移值大致相同。

4 剪力墙偏置高层建筑结构设计要点

4.1 竖向规则性判定

竖向不规则高层建筑，由于竖向刚度大、体型不均匀、出现突变等，地震下作用响应明显，对结构安全有很大影响。一般从结构是否刚度突变、承载力突变，是否层刚度偏小3方面进行判定。经计算，结构的层间受剪承载力均大于相邻上一层的80%，结构无承载力突变。各楼层与其相邻上层侧向刚度比均＞0.9，满足要求，无层刚度偏小的楼层；但首层底板为嵌固层，首层与二层X和Y方向刚度比分别为 1.48、1.49，均不满足＞1.5 的要求，属于刚度突变。结构超限不规则项已得 2 分，若此处再评 1分，则结构不规则项满3分，判定为“规则性超限”的高层建筑工程，需进行超限高层建筑抗震性能化设计。结合建筑功能，将首层局部剪力墙厚度增加，提高结构首层的抗侧刚度。经过调整，首层与二层X和Y方向刚度比为1.53、1.54，满足规范要求，结构无竖向刚度突变，不规则项评分为0分。

4.2 楼屋面板加强

按一般框架–剪力墙结构设计，结构的抗侧力构件为开口槽形剪力墙。由于存在大量设备管井、电梯井道、楼梯间，导致内部楼屋面板被削弱，故将楼屋面板加厚至150 mm，达到增强结构整体性、改善楼板水平力传递性能的目的。将核心筒内部楼板加厚至150 mm，按照要求，楼屋面板外角设双层双向加强筋，避免出现开裂。

4.3 嵌固条件改善

通过测量地下室的顶棚，测得室内和室外的高度差为1.2 m，采用阶梯式方法处理，2 次调整楼板标高，将每级间的高度差控制在0.6 m 以内。为了改善地下室屋顶传递水平力的性能，加强高差处楼板和框架梁的梁板配筋和加腋。为了满足地下室1层的剪切刚度不小于地上1层2倍的要求，取消了地下室剪力墙不必要的开口，使其与部分墙体如设备管井结合起来。

4.4 带翼墙框架柱改善

本工程中，要改善结构整体抗扭性能，需在外围框架柱上增设翼墙。由于建筑立面需要开窗，将翼墙的长度控制在2.0 m。且墙厚不宜太小，以确保轴压比符合规范要求。尽管顶部几层的轴力不是很大，但翼墙的厚度仍需确定为350 mm，以防止出现短肢墙。壁厚从上到下逐渐增加，底部加强部分和地下室墙的厚度均为450 mm，C30为顶部的混凝土强度等级，自上而下依次增加，地下室混凝土强度等级为 C45。

结束语

综上所述，针对剪力墙偏置的高层建筑，可根据工程实际情况，采取设置防震缝、合理选择结构体系、调整外围框架梁高与竖向构件截面、在外围框架增设翼墙等措施，增强结构抗扭刚度，降低结构扭转位移比，并针对相应措施进行灵活调整，以提高高层建筑结构设计水平。

参考文献：

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