关于高层建筑结构设计中相关问题分析

　　摘要：针对高层建筑结构设计常见的一些问题，重点分析和讨论：1)高层建筑的嵌固条件及部位;2)确定抗震墙厚度时，应综合运用规范规定的抗震墙构造最小高厚比限值和高层规程附录D稳定计算公式;3)抗震墙底部加强部位应该按不同的受力情况和墙肢剪跨比，设置不同的约束边缘构件，约束边缘构件长度宜根据相对受压区高度来确定更合理。4)对剪力墙结构连梁超筋的情况进行分析和解决方法。
　　关键词：抗震等级　嵌固部位　墙体稳定　约束边缘构件　连梁
　
　　1　高层建筑的嵌固部位
　　多数单塔或多塔高层建筑带有面积较大的地下室及层数不多的裙房，裙房可能相连形成大底盘。《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)规定，高层建筑地下室结构满足一定条件时，地下室顶板可作为上部结构的嵌固部位。若不满足规范要求，可将嵌固部位设置在基础顶面。嵌固在地下室顶板的条件及要求：
　　(1)地下室顶板必须具有足够的平面内刚度，以有效传递地震基底剪力。地下室顶板应避免开设大洞口;其楼板厚度不宜小于180mm，混凝土强度等级不宜小于C30，应采用双层双向配筋，且每层每个方向的配筋率不宜小于0.25%。
　　(2)结构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;地下室周边宜有与其顶板相连的抗震墙。
　　(3)地下室结构的相关范围一般可从地上结构(主楼、有裙房时含裙房)周边外延不大于20m。
　　(4)地下室顶板对应于地上框架柱的梁柱节点除应满足抗震计算要求外，尚应符合下列规定之一：
　　①地下一层柱截面每侧纵向钢筋不应小于地上一层柱对应纵向钢筋的1.1倍，且地下一层柱上端和节点左右梁端实配的抗震受弯承载力之和应大于地上一层柱下端实配的抗震受弯承载力的1.3倍。
　　②地下一层梁刚度较大时，柱截面每侧的纵向钢筋面积应大于地上一层对应每侧纵向钢筋面积的1.1倍;同时梁端顶面和底面的纵向钢筋面积均应比计算增大10%以上。
　　(5)裙房与主体结构相连时，其嵌固部位应随同主体结构，且应满足嵌固的有关要求;裙房与主体可采用不同基础结构，但应加强连接，保证在地震作用下共同工作。
　　2　抗震墙厚度的确定
　　抗震墙截面厚度的确定与许多因素有关，其中平面外稳定是十分重要的因素。在确定墙厚时，一部分设计人员认为抗震墙厚度必须满足规范规定的最小高厚比要求，另一部分设计人员在任何情况下只要求墙厚仅满足高层规JGJ3-2002附录D墙体稳定计算公式。实际上这两种做法都存在片面性。
　　一方面，如果严格遵守抗震规范GB50011-2010第6.4.1和高层规程JGJ3-2002第1，2，3，4款规定，会使一些层数不高但层高较高的建筑的抗震墙厚度过大。
　　实际上，规范规定最小墙厚的目的也是为保证抗震墙出平面的刚度和稳定性能。规范规定的最小墙厚是根据一般情况总结出来的，目的是方便设计，但不是适合情况都适用。对于工程设计中的一些特殊情况，不能机械地执行规范条款，否侧，不是墙过厚就是墙厚不满足平面外稳定的要求。应该领会规范条款的意图，对特殊情况作进一步的稳定验算。
　　在工程实践中，规范规定的最小墙厚在两种情况下不适用：一种是前面讲的层数不多但层高较高的建筑，轴力不大的墙肢;另一种是层数较多、较高的建筑，轴力较大的墙肢，特别施因受倾覆力矩影响附加轴力较大的墙肢。比如80m以上的高层建筑中组合轴力较大的外墙、多肢墙的端墙肢或轴压比较大的一字墙，如果按规范规定的最小墙厚确定墙厚，往往不能保证抗震墙平面外的刚度和稳定性，有必要用高层规程JGJ3-2002附录D抗震墙稳定计算公式来校核。
　　另一方面应该注意到， 如果只要求墙厚满足高层规程JGJ3-2002附录D墙体稳定计算公式，而不考虑抗震所在位置和其重要性，对于底部加强部位、角窗旁一字形短墙肢、框支抗震墙结构的落地墙等较重要部位来说，所取墙厚会偏小。考虑这些部位的重要性和受力的复杂形，确定这些部位墙厚时，应将高层规程稳定计算公式的计算结果适当放大。
　　3　抗震墙底部加强部位约束边缘构件的设置
　　结构试验表明矩形截面抗震墙的延性比工字形或槽形截面差;计算分析表明增加墙肢截面两端边的翼缘能显著提高墙的延性。因此，在矩形墙两端设约束边缘构件不但能较显著提高哦墙体的延性还能防止抗震墙发生水平剪切滑动提高抗剪能力。工程设计中，我们可以遇到各种不同情况的抗震墙，抗震墙的受力特点和破坏模式也各不相同，因此对抗震墙底部加强部位的不同位置，应根据具体受力情况不同，采用不同的加强措施，而不应该设置相同的约束边缘构件。
　　(1)抗震墙底部加强部位，剪跨比大于2的墙肢和两侧与一般连梁(跨高比大于2.5)相连的剪跨比不大于2的墙肢，当轴压比大于规范规定时，墙肢两端应该设置约束边缘构件。抗震墙底部加强部位，剪跨比不大于2的多肢墙的内部墙肢，当与强连梁(跨高比不大于2.5)相连时，主要发生剪切破坏，弯曲变形较小，应加强水平钢筋并严格限制剪压比，墙肢两端不一定设置很强的约束边缘构件。
　　(2)设置约束边缘构件的目的是为增加对压区混凝土的约束，提高压区混凝土的变形能力，增大抗震墙的延性，因此，约束边缘构件长度lc宜按相对受压区高度ξ确定更合理。计算时还应该考虑抗震墙翼墙对约束边缘构件lc的影响。试验结果表明，由于受压区翼缘能有效地减小受压区高度，因此，参数ξ比轴压比能更准确地反映对延性的影响，利用ξ能更准确地描述约束边缘构件的合
　　理长度。
　　(3)对于由跨高比小于2.5的强连梁连接的底部加强部位的多墙肢各墙肢如何设置约束边缘构件，尚应根据墙肢所在位置和墙肢剪跨比确定。目前高层住宅抗震墙结构多设角窗，角窗旁的墙肢还多为一字形短墙肢，如果是强连梁与该墙肢相连，其在地震作用下所受轴力较大，该墙肢应具有较强的约束力，设计应加强全截面的竖向和水平钢筋。
　　4　剪力墙结构中连梁超筋处理
　　高层剪力墙结构设计中连梁超筋是一种常见现象。在某段剪力墙各墙肢通过连梁形成整体，成为联肢墙或壁式框架，使此墙段具有较大的抗侧刚度，能达到此目的主要依靠连梁的约束弯矩。连梁的超筋主要是部分连梁跨高比较小，刚度较大，造成连梁剪力过大，致使连梁抗剪能力不能满足规范对连梁剪压比的限值。从剪力墙的简化手算方法得知，连梁作为沿高度连续化的连杆处理的，由总约束弯矩得每层连梁约束弯矩，再由约束弯矩得连梁剪力，从剪力得到弯矩。由于连梁一般有竖向荷载产生的剪力值较小，剪力主要因约束弯矩产生。连梁易超筋的部位，竖向楼层在一般剪力墙结构中总高度的1/3左右的楼层;平面中当墙段较长时其中部的连梁，某墙段中墙肢截面高度(即平面中的长度)大小悬殊不均匀
　　时，在大墙肢连梁易超筋。
　　连梁超筋时， 可按《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)第7.2.25条处理：
　　(1)减小连梁截面高度;
　　(2)抗震设计的剪力墙中连梁弯矩及剪力可进行塑性调幅，以降低其剪力设计值。但内力计算时已经按《高规》第5.2节第5.2.1条的规定降低了刚度的连梁，其调幅范围应当限制或不再继续调幅，以避免在使用状况下连梁中裂缝开展过早、过大，使用状况内力是竖向荷载及风荷载作用的组合内力。当部分连梁降低弯矩设计值后，其余部位连梁和墙肢的弯矩设计值应相应提高;
　　(3)当连梁破坏对承受竖向荷载无大影响时，可考虑在大震作用下该联肢墙的连梁不参与工作，按独立墙肢进行第二次结构内力分析，墙肢应按两次计算所得的较大内力配筋。
　　根据上述(3)可在易超筋的部位连梁按铰接处理进行整体计算，但应注意按此种处理后计算结果层间位移比尚需满足规范要求，或相差不应太大。连梁按铰接处理后，主要承受竖向荷载，施工时仍为整浇，上部钢筋按构造设置。
　　4　结语
　　(1)高层建筑地下室结构满足一定条件时，地下室顶板可作为上部结构的嵌固部位。若不满足规范要求，可将嵌固部位设置在基础顶面。
　　(2)规范规定的抗震墙构造最小高厚比限值并不适用任何情况，特殊情况时有必要按高层规程附录D稳定计算公式作补充验算。这时应该采用组合内力计算，比应注意提高抗震墙底部加强部位、角窗墙、部分框支抗震墙结构中落地墙等较重要部分的稳定要求。
　　(3)抗震墙底部加强部位应该按不同的受力情况和墙肢剪跨比，设置不同的约束边缘构件。约束边缘构件长度宜根据相对受压区高度ξ确定更合理。
　　(4)对连梁内力进行塑性调幅不宜大，否则小震时，就会有较多裂缝，当地震力较大时，可考虑连梁仅部分参加工作，若该连梁破坏时对承受竖向荷载无明显影响，这时一般可采用减小连梁截面高度的设计方法。
　　参考文献：
　　[1]建筑抗震设计规范(GB50011-2010)[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
　　[2]高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3_2002)[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
　　[3]李国胜.多高层钢筋混凝土结构设计中疑难问题的处理及算例.北京：中国建筑工业出版社，2005.