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摘要：随着城市化进程的推进，高层住宅成为了城市建设的主流。本文对高层剪力墙结构概念设计阶段的内容做了大致总结，对计算模型中的侧向刚度、扭转周期比及连梁刚度折减问题进行了详细的分析，最后还对结构设计中经常忽视的几个问题做了简要阐述。
关键词：高层剪力墙结构侧向刚度扭转周期比连梁刚度
前言：
我国《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）（以下简称抗规）和《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）（以下简称高规）是高层剪力墙结构设计的主要依据，其中对建筑的平面布置、竖向布置、位移限值、地震作用等都做了详细的规定。我们该如何控制这些指标来实现结构抗震性能目标是结构设计的主要任务。
一、概念设计
概念设计是对所设计的对象做宏观控制，主要从以下几个方面考虑：
1、场地条件。宜选择对建筑抗震有利的场地，避开对建筑抗震不利的地段，如软弱土地基、液化土地基、地震断裂带等。
2、建筑的平面、立面应规则，不应选用严重不规则的方案。
3、选用合适的结构体系，宜通过经济技术条件比较综合确定，力求体系受力合理，延性好，两主轴方向刚度接近。
4、从概念角度尽可能多的设置抗震防线，将平面划分为几个抗震单元，中间可用耗能构件连接，用于地震发生时吸收能量保证整体建筑不倒。
5、合理的分布抗震构件的刚度和承载力，使抗震构件既能充分发挥抗震性能又不至应力过于集中而提前破坏。
二、建立计算模型
1、初步建立计算模型
根据高层建筑的结构特性及经验，高层剪力墙结构建模大致可遵循如下原则：尽量增加外围结构的刚度，适度的减弱中间内部的结构刚度，此种布置能有效的控制结构扭转，对控制位移也有很大的作用；尽量均匀的布置长墙，长墙相对于短墙能提供更大的侧向刚度，充分发挥构件的抗震性能。
2、模型分析和调整
根据模型调试过程中经常遇到的问题，本文主要从以下三个方面进行分析：
2.1结构侧向刚度
《高规》3.5.2条给出了侧向刚度比的公式γ=(ViΔi+1hi)/(Vi+1Δihi+1)，墙的刚度为3EI/h3,通过公式我们可以分析出剪力墙所能提供的侧向刚度主要与剪力墙长度和高度有关。进而我们可知，用PKPM进行结构分析时，建筑的侧向刚度主要与建筑的高宽比和剪力墙所处的部位有关，一般来讲有如下关系：a建筑的高宽比越小，剪力墙所提供的侧向刚度越大；b布置在建筑外围的剪力墙比内部的剪力墙提供的刚度更大。
一般的住宅结构通常是Y向的高宽比比较大，剪力墙布置对其侧向刚度的影响也更大，在一些接近规范限高的结构中即使将Y向的所有建筑墙体均布成剪力墙，Y向的位移仍不容易满足要求，此时可从两个方向进行分析。首先，当门窗洞口不太大时，可将门窗洞口的连梁按墙开洞处理。用连梁连接两片墙时，墙的侧向刚度是按双肢剪力墙来计算，墙截面上的正应力不成直线分布，其受力和变形发生了变化，由于墙肢的线刚度比连梁的线刚度大得多，所以每根连梁中部都有反弯点，各墙肢单独弯曲作用明显，所提供侧向刚度较小。当按墙开洞布置时，墙的侧向刚度计算是按整片墙计算后进行折减，其截面在受力后基本保持平面，正应力分布图也大体保持直线分布，各墙肢中仅有少量的局部弯曲。墙的刚度是和墙长的三次方成正比，即使整片墙的刚度折减后仍远大于双肢墙的刚度。其次，根据抗震规范6.2.13-2条文说明“计算地震内力时，抗震墙连梁刚度可折减；计算位移时，连梁刚度可不折减。”所以计算位移时，连梁的刚度折减系数可取1，这将大大减小结构位移，更容易满足规范的要求。
2.2结构的扭转控制
结构的扭转效应对整个建筑来说是非常有害的，结构扭转反应与平动反应相比有更多的不确定性。从理论上分析扭转对结构抗震设计主要有三个方面影响：a.由于结构存在扭转，导致边端抗侧力构件增加了扭转引起的附加位移，进而导致边端抗侧力构件位移增大，同时也使边端抗侧力构件内力增大，容易出现超筋或配筋异常现象；b.楼板因结构扭转而产生较大变形，同时也产生较大的平面内应力，而使刚性楼板假定失真，使计算结果误差加大；c.结构竖向构件在扭转过程中产生扭转角，这会在竖向构件内产生附加扭矩，这在现行规范中是没有考虑其影响的。通过历次的震害也表明，扭转会使某些构件产生过大变形而提前破坏，从而导致整体结构失稳而破坏。所以控制结构扭转是十分必要的。
结构在地震作用下的扭转主要是由于结构质量和刚度分布不匹配引起的，在水平地震作用下发生了较大的扭转振动。所以抗扭设计的关键是控制结构质量和刚度分布合理。根据《高规》3.4.1和3.5.1可知，结构的平面形状及竖向体型宜简单规则，质量、刚度和承载力分布宜均匀，这是影响结构自身抗扭特性的主要因素。结构平面形状和竖向体型的规则性用特征尺寸的比例来表征，尽量保证特征尺寸比例在规范规定的范围内，而且是越小越好；质量、刚度分布的匹配性用质心相对于刚心的偏心率来表征，在模型调试过程中刚心和质心应尽量接近，最好能重合；相对抗扭刚度则通过扭转周期比（即基本扭转周期与基本平动周期的比值）来体现，《高规》3.4.5条明确给出了扭转周期比的限值，其目的就是要限制结构扭转效应不要过大。
2.3结构连梁刚度折减
在PKPM中，连梁有两种布置形式：一种是按梁输入因跨高比小于5而形成连梁，此种连梁自身侧向刚度相对较小，通常纵向配筋较大箍筋配筋较小，一般不会出现超筋现象，此种连梁称为弱连梁；另一种连梁是按墙开洞形式布置，因跨高比小于5而形成连梁，此种连梁侧向刚度较大，箍筋配筋相对较大，纵向配筋相对较小，容易出现抗剪承载力不足现象，需附加斜筋或斜支撑以加强抗剪承载力，此种连梁称为强连梁。
连梁作为建筑中重要的耗能构件，对剪力墙结构的内力、位移变形和结构安全有很大的影响。根据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)的规定和对地震作用过程分析表明，在多遇地震和设防地震作用下混凝土结构基本处于弹性工作状态。而连梁作为连接两剪力墙的构件，担负着传力和协调变形的任务。由于连梁的线刚度和剪力墙的线刚度相比小很多，所以连梁的受力和变形就显的非常集中，与理想状态下的弹性假定存在着较大的差异。为了避免连梁在弹性阶段应力过于集中而造成配筋过大或截面抗剪不足的情况，通常采用对连梁刚度进行折减的方式考虑连梁进入塑性阶段后的刚度退化影响。《高规》5.2.1条规定“高层建筑结构地震作用效应计算时，可对剪力墙连梁刚度予以折减，折减系数不宜小于0.5。”条文说明中说设防烈度低时可少折减一些，设防烈度高时可多折减一些。通过对模型在多遇地震和设防地震作用下的弹塑性时程分析表明，在多遇地震作用下，连梁的刚度已经开始退化，设防地震时刚度进一步退化。所以可以根据连梁的残余刚度与初始刚度的比值作为连梁刚度的折减系数。
三、设计过程中容易被忽视的两个问题
由于设计习惯，许多结构设计师经常忽略规范对一些特殊结构的要求，比如：
a.根据初步模型结果分析是否需要进行弹性时程分析验算
《抗规》5.1.2-3规定“特别不规则的建筑、甲类建筑和超过规定高度的建筑，应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算。”所以在设计过程中要判断结构是否需要进行时程分析法验算，不能漏过此步。
b.带大底盘的多塔楼结构设计
现在很多的小区规划中均有地下车库指标，会形成地下车库上有多个塔楼的情况。根据《高规》5.1.14条和5.3.7条通常有两种设计方法：1）地下一层与首层侧向刚度比不小2（包括地下室相关部位的刚度），地下室顶板做为上部结构嵌固部位。此种设计方法简单，各塔楼可单独计算分析，设计院一般会采取此方法进行设计。但是此种方法对地下刚度要求大，尤其是地下室层高比较高时，需要附加很多混凝土墙才能满足刚度比的要求。对地下室进行设计时还需特别注意塔楼对顶板配筋的影响，塔楼相关范围内的抗震等级，这在设计中是比较容易忽视的部分。2）将基础顶做为嵌固部位。此种方法需按整体模型和各塔楼分开的模型分别计算，对计算结果取包络设计。此种方法设计上难度比较大，整体模型计算非常耗时，包络设计也不好操作，设计过程需要更长的时间。但是地下室不需要附加剪力墙，对地下室空间有特殊要求时可以采用。
四、总结
在设计高层剪力墙结构时，概念设计能从宏观上给建筑一个安全保障。合理的计算模型是保障建筑安全的重要前提和实现手段。只有正确的控制模型中的参数才能使计算模型合理，更符合地震发生时的实际情况或是提高建筑的抗震能力，保障建筑的安全。
参考文献：
[1]JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国工业出版社，2011.
[2]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国工业出版社，2010.
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