关于高层错层剪力墙结构设计的研究

关于高层错层剪力墙结构设计的研究【摘要】随着我国建筑行业的蓬勃发展，建筑师层出不穷的创意，给结构工程师带来了一个又一个挑战，当然，这也对结构工程的学科不断发展，是一种助推。下文以高层错层住宅为分析重点，探讨结构错层对剪力墙结构的影响；结合工程案例，对错层剪力墙结构的结构方案、结构计算、抗震措施进行简要的论述。

【关键词】错层剪力墙；高层结构；设计

引言

随着城市化进程的不断深入，高层建筑在城市建设中所占的地位也越来越重要。居住对环境的要求越来越高，错层式住宅以其空间高低错落有致、使用合理、居住舒适等优点，受到人们的钟情，这种错层式住宅多采用剪力墙结构。但是错层结构是一种对抗震不利的结构形式，错层剪力墙结构使剪力墙形成错洞墙，导致结构刚度不规则，对结构抗震有不利影响，尤其对平面不规则和扭转效应显著的错层结构破坏特别严重。jgj3- 2002《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称《高规》）建议在抗震设计时高层建筑宜避免错层，同时也对错层结构的设计提出了一些规定。

1 错层结构的相关研究

分析表明，对于错层结构，一般认为其不利的因素主要源于2个方面：一是由于楼板被分成数块，且相互错置，在错层构件中产生很大的变形和内力，削弱了楼板协调结构整体受力的能力；二是由于楼板错层，使得错层交接部位形成竖向短构件，可能在同向受

力中因错层构件刚度大而产生内力集中，不利于抗震。短构件问题主要是针对多层框架结构，其不利于抗震的震害表现也多出现在多层框架中。对于以剪力墙为主要受力构件的高层住宅，规则的错层对结构受力的影响有限，影响主要在于两侧有错层连梁相连的墙体。结构的错层会增大结构的抗侧刚度，错层构件在结构整体中所占的比例越大，则整体侧向刚度增加幅度越大，但剪力墙结构抗侧刚度增加的幅度相比于框架结构要小。如图1所示，相互错层的相邻楼板a和b仅由中间的错层柱或墙相联系，相比较平面刚度极大的楼板，错层柱或墙的弯剪刚度是个极小值，当结构受力时，结构两部分将产生不协调变形，可能会在错层柱或墙中形成较大的内力，错层柱或墙的受力与两部分的均匀性有关。错层剪力墙结构的试验研究表明，由于错层剪力墙结构整体成弯曲破坏，根据振动台试验和静力试验破坏结果，错层剪力墙结构与一般剪力墙结构无大的区别。

2 工程案例

2.1 工程概况

某小区其中3号楼为错层剪力墙结构。该工程建筑平面布置为一字型（如图1），建筑物长度约为68m，宽度约为12.5m，建筑主体高度52.1m，共18层，加上屋顶以上塔楼的高度后，建筑的总高度为55.8m，高宽比为 4.43。规范要求，钢筋混凝土剪力墙结构伸缩缝最大间距为45m，综合考虑变形缝设置要求，该建筑变形缝宽度取200mm，将建筑物分成a、b、c三个单元，如图 2 所

示（阴影处为错层区域）。建筑剖面图见图2，住宅层高为2.9m，上部结构各标高之间相差1.45m。该工程为丙类建筑，建筑场地类别为ⅱ类，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g，设计地震分组为第一组，场地特征周期为tg=0.35s，罕遇地震作用的水平地震影响系数最大值为0.72。计算时基本风压按50 年重现期取0.40kn/m2。

2.2 计算模型的建立

由图1可以看出，该工程被变形缝分成a、b、c三个单元，其中a 和 c 单元对称，因此我们只需建立 a 和 b 两个计算模型进行计算。《高规》指出，错层两侧宜采用结构布置和侧向刚度相近的结构体系。错层结构中，错开的楼层应各自参加结构整体计算，不应归并为一层计算。本工程采用全现浇剪力墙结构体系，计算软件以stawe为主进行结构计算，以pmsap进行校核。建模时图2所示各标高处均按独立的计算标准层输入，错层处剪力墙厚度取250mm，与之相连的墙体厚度也取250mm。错层剪力墙结构设计时墙体应尽量带有较大的翼缘，一是可以增加墙体的稳定性，二是增加了墙体的抗震承载力和延性，对抗震有利。所建模型中几乎所有墙体都带有较大的翼缘，以增强墙体的稳定性和抗震能力。在进行结构的动力特性分析时，分别采用弹性楼板和刚性楼板模拟结构的错层楼板，发现两种计算方法的结果差异不大。振型分解反应谱分析结果表明，结构在常遇地震作用下错层位置楼板会产生局部应力集中现象，而位移、基底剪力等指标满足规范抗震要求。设计中

用satwe和pmsap计算时，分别考虑错层楼板为刚性楼板和弹性楼板，发现计算结果确实差异不大。

2.3 计算结果

从表中可看出计算结果均在规范允许的范围内，且两种程序的计算结果相差不大，为结构设计提供了保障。

2.4 抗震构造措施

对于错层剪力墙结构，《高规》中指出，错层处平面外受力的剪力墙截面厚度抗震设计时不应小于250mm，并应设置与之垂直的墙肢或扶壁柱；抗震等级应提高一级采用。错层处剪力墙的混凝土强度等级不应低于c30，水平和竖向分布钢筋的配筋率抗震设计时不应小于0.5%。本例参考了大量的相关文献及其规范的要求，在建筑专业允许的前提下，设置变形缝，将建筑分为三个部分进行设计，减小结构的扭转效应。在错层处的剪力墙加厚，厚度取250mm，并让墙体带有较大的翼缘，增强墙体的延性和稳定性。错层处剪力墙抗震等级提高一级，按二级考虑。混凝土强度等级在底部加强区为c35，上部为c30。

3 结论

（1）错层结构造成平面楼板不连续，竖向构件应力集中，是一种对抗震不利的结构形式，但错层对剪力墙结构体系的影响有限，错层剪力墙结构通过结构的合理布置和构造措施的加强，可以满足抗震设计的要求。

（2）错层剪力墙结构的设计中，考虑结构概念设计，合理的布

置结构平面，采用相应的抗震构造措施，可以很好的保证结构的安全性，确保收到良好的经济效果。