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【摘 要】本文从剪力墙底部加强部位墙厚的确定，短肢剪力墙结构设计，与剪力墙及框架柱连接的框架梁设计，和 转换层上、下结构侧向刚度比的确定等几个方面探讨了高层建筑中钢筋混凝土结构抗震设计。
【关键词】钢筋混凝土；抗震设计；墙体稳定性；短肢剪力墙；侧向刚度比
High-rise buildings in seismic design of reinforced concrete structures are discussed
Jiang Yu-chai
(WenZhou Zhejiang 325000)
【Abstract】this article from the shear wall thickness of wall of stiffened parts to determine, short-shear walls with shear wall structure design, and frame column connected frame beams design, and conversion layers, structure under lateral stiffness ratio and the way to determine the paper discusses high-rise buildings in seismic design of reinforced concrete structures.
【Key words】Reinforced concrete; Seismic design; The stability, Short-shear walls; Lateral stiffness ratio
1. 引言
随着我国高层建筑的高速发展，结构体系日趋多样化，建筑平面布置与竖向体型也越来越复杂，这就给高层建筑结构分析和设计提出了更高的要求。如何高效、准确地对高层结构体系进行内力分析，是结构工程师设计高层建筑结构时函待解决的重要课题。本文通过对高层建筑结构设计过程中经常遇到的问题进行分析，为高层建筑结构抗震设计提供计算方法及理论依据。
2. 剪力墙底部加强部位墙厚的确定
抗震设计时，剪力墙的底部加强部位包括底部塑性铰范围及其上部的一定范围，其目的是在此范围内采取增加边缘构件箍筋和墙体横向钢筋等必要的抗震加强措施，避免脆性的剪切破坏，改善整个结构的抗震性能。《 高层建筑混凝土结构技术规程打GJ3 （以下简称《 高规》 ）第7.1.9 条规定，抗震设计时，一般剪力墙结构底部加强部位的高度可取墙肢总高度的1 / 8 和底部两层二者的较大值，当剪力墙高度超过15Om 时，其底部加强部位的高度可取墙肢总高度的1 / 10 ; 部分框支剪力墙结构底部加强部位的高度可取框支层加上框支层以上两层的高度及墙肢总高度的1 / 8 二者的较大值。为保证底部加强部位处剪力墙的平面外刚度和稳定性能，《 建筑抗震设计规范》 GB500ll（以下简称《 抗规》 ）及《 高规》 分别规定了剪力墙底部加强部位墙厚的取值。其中，考虑到高层建筑结构的重要性，《 高规》 对墙厚的取值规定得更为严格。
一般情况下，高层建筑结构底部加强部位的剪力墙截面厚度bw 的取法如下：一、二级抗震等级时，bw 取层高或剪力墙无支长度的1 / 16 ，并且满足bw ) 200mm ；三、四级抗震等级时，bw 取层高或剪力墙无支长度的1 / 20 ，并且满足bw ) 160mm 。但对于墙底轴力较小且结构层高相对较高的剪力墙而言，其截面厚度按上述方法取值则显得不是很经济合理。因此具体工程设计时，剪力墙截面厚度bw 可适当减小，但必须按下式计算墙体的稳定性。
q Ec t310l02
式中：q ——作用于墙顶组合的等效竖向均布荷载设计值；Ec——剪力墙混凝土弹性模量；t ——剪力墙墙肢截面厚度；l0——剪力墙墙肢计算长度，取值应按《 高规》 的有关规定计算。
3. 短肢剪力墙结构设计
《 高规》 第7.1.2 条中所指的“短肢剪力墙较多的剪力墙结构”，主要是指结构平面中部为剪力墙构成的薄壁筒体、其余部位基本为短肢剪力墙的一种结构布置形式，近几年来在非抗震区以及6 度、7 度抗震设防区的住宅建筑结构中被广泛应用。对于短肢剪力墙较多的剪力墙结构，结构设计时除应符合《 高规》 第7.1.2 条的规定外，结构布置时宜使两个主要受力方向的抗侧刚度和承载力相差不大，同时应控制短肢剪力墙承受的倾覆力矩占结构底部总倾覆力矩的40％一50％。具体工程设计时，短肢剪力墙承受的倾覆力矩占结构底部总倾覆力矩的比例，可近似按同一抗侧力方向上短肢剪力墙截面面积与结构平面中全部剪力墙截面面积的比值确定。
《 高规》 中定义的短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5 一8 的剪力墙。当剪力墙的截面高度与厚度之比为3 一5 时，其轴压比限值应符合《 高规》 第7.2.5 条的规定，此时剪力墙的抗震等级应按《 高规》 表4.8.2 规定的抗震等级提高一级采用；其纵向钢筋的构造钢筋可按《 高规》 第7.1.2 条第6 款的规定设计，配筋方式可根据实际情况和设计习惯按框架柱或剪力墙设计；其箍筋可按剪力墙约束边缘构件或构造边缘构件的要求设计。其中，剪力墙约束边缘构件箍筋的配箍特征值的取值如下：当剪力墙轴压比等于或接近《 高规》 表7.2.16 的限值时，箍筋配箍特征值为0.2 （抗震等级为特一级时为0.24 ) ；当剪力墙轴压比小于《 抗规》 表6.4.6 的限值时，箍筋配箍特征值可取0.1 ；其他情况，箍筋配箍特征值可按轴压比大小在0.1 和0.2 （抗震等级为特一级时为0.24 ) 之间线性插值。剪力墙构造边缘构件中箍筋的设置可按《 高规》 第7.2.17 条的有关规定执行。
4. 与剪力墙及框架柱连接的框架梁设计
高层建筑结构简化计算时通常假定地基为绝对刚性，不考虑地基不均匀沉降对结构构件竖向变形差的影响。同时，《 高规》 关于抗震设计轴压比的规定中，框架柱和剪力墙的限值是不相同的，如表1 所示。
表1 钢筋混凝土剪力墙与框架柱轴压比限值
结构构件 抗震等级
剪力墙框架柱 一级（9 度） 一级（7 、8 度） 二级 三级 0.75 0.75 0.85 0.98
因此，对高层结构进行内力分析及截面设计时，与剪力墙及框架柱连接的框架梁往往由于竖向变形差过大而容易超筋，给框架梁截面设计带来一定的困难。框架梁两端竖向变形差产生的固端弯矩及剪力按下式计算。
MAB =MBA =－6EcIbI2△ (2)
QAB =QBA=－12EcIbI3△ (3)
式中：MAB 、MBA ——框架梁固端弯矩；QAB 、QBA ——端剪力；△ ——框架梁两端竖向变形差；Ec ——混凝土弹性模量；Ib ——框架梁截面惯性矩梁计算长度。
根据框架梁两端竖向变形差产生的原因及其对梁端内力的影响，在结构设计中可以采取以下方法解决与剪力墙及框架柱相连的框架梁超筋问题。
【关键词】钢筋混凝土；抗震设计；墙体稳定性；短肢剪力墙；侧向刚度比
High-rise buildings in seismic design of reinforced concrete structures are discussed
Jiang Yu-chai
(WenZhou Zhejiang 325000)
【Abstract】this article from the shear wall thickness of wall of stiffened parts to determine, short-shear walls with shear wall structure design, and frame column connected frame beams design, and conversion layers, structure under lateral stiffness ratio and the way to determine the paper discusses high-rise buildings in seismic design of reinforced concrete structures.
【Key words】Reinforced concrete; Seismic design; The stability, Short-shear walls; Lateral stiffness ratio
1. 引言
随着我国高层建筑的高速发展，结构体系日趋多样化，建筑平面布置与竖向体型也越来越复杂，这就给高层建筑结构分析和设计提出了更高的要求。如何高效、准确地对高层结构体系进行内力分析，是结构工程师设计高层建筑结构时函待解决的重要课题。本文通过对高层建筑结构设计过程中经常遇到的问题进行分析，为高层建筑结构抗震设计提供计算方法及理论依据。
2. 剪力墙底部加强部位墙厚的确定
抗震设计时，剪力墙的底部加强部位包括底部塑性铰范围及其上部的一定范围，其目的是在此范围内采取增加边缘构件箍筋和墙体横向钢筋等必要的抗震加强措施，避免脆性的剪切破坏，改善整个结构的抗震性能。《 高层建筑混凝土结构技术规程打GJ3 （以下简称《 高规》 ）第7.1.9 条规定，抗震设计时，一般剪力墙结构底部加强部位的高度可取墙肢总高度的1 / 8 和底部两层二者的较大值，当剪力墙高度超过15Om 时，其底部加强部位的高度可取墙肢总高度的1 / 10 ; 部分框支剪力墙结构底部加强部位的高度可取框支层加上框支层以上两层的高度及墙肢总高度的1 / 8 二者的较大值。为保证底部加强部位处剪力墙的平面外刚度和稳定性能，《 建筑抗震设计规范》 GB500ll（以下简称《 抗规》 ）及《 高规》 分别规定了剪力墙底部加强部位墙厚的取值。其中，考虑到高层建筑结构的重要性，《 高规》 对墙厚的取值规定得更为严格。
一般情况下，高层建筑结构底部加强部位的剪力墙截面厚度bw 的取法如下：一、二级抗震等级时，bw 取层高或剪力墙无支长度的1 / 16 ，并且满足bw ) 200mm ；三、四级抗震等级时，bw 取层高或剪力墙无支长度的1 / 20 ，并且满足bw ) 160mm 。但对于墙底轴力较小且结构层高相对较高的剪力墙而言，其截面厚度按上述方法取值则显得不是很经济合理。因此具体工程设计时，剪力墙截面厚度bw 可适当减小，但必须按下式计算墙体的稳定性。
q Ec t310l02
式中：q ——作用于墙顶组合的等效竖向均布荷载设计值；Ec——剪力墙混凝土弹性模量；t ——剪力墙墙肢截面厚度；l0——剪力墙墙肢计算长度，取值应按《 高规》 的有关规定计算。
3. 短肢剪力墙结构设计
《 高规》 第7.1.2 条中所指的“短肢剪力墙较多的剪力墙结构”，主要是指结构平面中部为剪力墙构成的薄壁筒体、其余部位基本为短肢剪力墙的一种结构布置形式，近几年来在非抗震区以及6 度、7 度抗震设防区的住宅建筑结构中被广泛应用。对于短肢剪力墙较多的剪力墙结构，结构设计时除应符合《 高规》 第7.1.2 条的规定外，结构布置时宜使两个主要受力方向的抗侧刚度和承载力相差不大，同时应控制短肢剪力墙承受的倾覆力矩占结构底部总倾覆力矩的40％一50％。具体工程设计时，短肢剪力墙承受的倾覆力矩占结构底部总倾覆力矩的比例，可近似按同一抗侧力方向上短肢剪力墙截面面积与结构平面中全部剪力墙截面面积的比值确定。
《 高规》 中定义的短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5 一8 的剪力墙。当剪力墙的截面高度与厚度之比为3 一5 时，其轴压比限值应符合《 高规》 第7.2.5 条的规定，此时剪力墙的抗震等级应按《 高规》 表4.8.2 规定的抗震等级提高一级采用；其纵向钢筋的构造钢筋可按《 高规》 第7.1.2 条第6 款的规定设计，配筋方式可根据实际情况和设计习惯按框架柱或剪力墙设计；其箍筋可按剪力墙约束边缘构件或构造边缘构件的要求设计。其中，剪力墙约束边缘构件箍筋的配箍特征值的取值如下：当剪力墙轴压比等于或接近《 高规》 表7.2.16 的限值时，箍筋配箍特征值为0.2 （抗震等级为特一级时为0.24 ) ；当剪力墙轴压比小于《 抗规》 表6.4.6 的限值时，箍筋配箍特征值可取0.1 ；其他情况，箍筋配箍特征值可按轴压比大小在0.1 和0.2 （抗震等级为特一级时为0.24 ) 之间线性插值。剪力墙构造边缘构件中箍筋的设置可按《 高规》 第7.2.17 条的有关规定执行。
4. 与剪力墙及框架柱连接的框架梁设计
高层建筑结构简化计算时通常假定地基为绝对刚性，不考虑地基不均匀沉降对结构构件竖向变形差的影响。同时，《 高规》 关于抗震设计轴压比的规定中，框架柱和剪力墙的限值是不相同的，如表1 所示。
表1 钢筋混凝土剪力墙与框架柱轴压比限值
结构构件 抗震等级
剪力墙框架柱 一级（9 度） 一级（7 、8 度） 二级 三级 0.75 0.75 0.85 0.98
因此，对高层结构进行内力分析及截面设计时，与剪力墙及框架柱连接的框架梁往往由于竖向变形差过大而容易超筋，给框架梁截面设计带来一定的困难。框架梁两端竖向变形差产生的固端弯矩及剪力按下式计算。
MAB =MBA =－6EcIbI2△ (2)
QAB =QBA=－12EcIbI3△ (3)
式中：MAB 、MBA ——框架梁固端弯矩；QAB 、QBA ——端剪力；△ ——框架梁两端竖向变形差；Ec ——混凝土弹性模量；Ib ——框架梁截面惯性矩梁计算长度。
根据框架梁两端竖向变形差产生的原因及其对梁端内力的影响，在结构设计中可以采取以下方法解决与剪力墙及框架柱相连的框架梁超筋问题。