淺談高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

劉玉雄

摘 要：文章主要針對(duì)工程實(shí)例對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震、主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、地基基礎(chǔ)與地下室設(shè)計(jì)及對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析進(jìn)行了簡(jiǎn)要的探討。以供類似工程參考、應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：高層建筑、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

一、工程實(shí)例

該工程為一棟高層建筑住宅樓，地下1層，地上層數(shù)為49層，高度為154.8米。二層以上為剪力墻結(jié)構(gòu)，由于底層大堂大空間的需要，部分剪力墻無法落地，需要轉(zhuǎn)換，因此結(jié)構(gòu)為部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系。轉(zhuǎn)換層設(shè)于二層樓面，采用梁式轉(zhuǎn)換。該結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算基本風(fēng)壓按100年重現(xiàn)期取值，取W。=0.50kN/㎡；位移計(jì)算基本風(fēng)壓按50年重現(xiàn)期取值，為0.45 kN/㎡。擬建場(chǎng)地內(nèi)未發(fā)現(xiàn)影響建筑物穩(wěn)定性的不良工程地質(zhì)作用。場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組第一組；建筑場(chǎng)地類別為II類；經(jīng)進(jìn)行地基土液化可能性判別，該場(chǎng)地為非液化場(chǎng)地。

二、建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 地震作用及抗震措施

根據(jù)《安評(píng)報(bào)告》，小震下水平地震影響系數(shù)最大值αmax為0.084，超過《抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中7度設(shè)防烈度的αmax，故小震地震作用計(jì)算按照《安評(píng)報(bào)告》取值計(jì)算，中震、大震按照規(guī)范取值，抗震構(gòu)造措施適當(dāng)加強(qiáng)。該高層建筑住宅高度為154.8米，按照抗震規(guī)范規(guī)定，6度區(qū)框支剪力墻結(jié)構(gòu)的B級(jí)高層建筑的最大適用高度為140m。應(yīng)該采取更嚴(yán)格的抗震設(shè)計(jì)措施以及構(gòu)造措施。

2.2 抗側(cè)力體系布置

本工程平面呈梭形，長(zhǎng)寬比2.95。根據(jù)建筑布置，利用房間隔墻、樓梯間、電梯間布置剪力墻，受建筑限制，體型較薄方向（Y向）布置剪力墻較多，X向能布置的剪力墻較少。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，由于本工程設(shè)防烈度為6度，地震作用下結(jié)構(gòu)反應(yīng)較小，易于滿足規(guī)范要求。X向迎風(fēng)面較小，也易于滿足規(guī)范要求。Y向迎風(fēng)面較大，Y向風(fēng)荷載下的側(cè)向變形是控制設(shè)計(jì)的主要影響因素，整體位移曲線呈典型的彎曲型，最大層間位移角出現(xiàn)在40層附近。為增加Y向抗側(cè)剛度，端部?jī)善袅雍裰?00mm，中間房間分隔墻基本為300mm厚，部分為400mm厚，標(biāo)準(zhǔn)層的墻厚沒有變化。底層因建筑需要形成南北通暢空間，局部區(qū)域上部剪力墻無法落地，通過轉(zhuǎn)換構(gòu)件將上部豎向及水平荷載傳遞至框支柱。轉(zhuǎn)換采用轉(zhuǎn)換梁形式。由于上部剪力墻在端部有洞口，致使轉(zhuǎn)換梁內(nèi)剪力較大，而轉(zhuǎn)換梁高度又受到限制，故通過在梁內(nèi)設(shè)置型鋼增加抗剪承載力。為增加延性，在轉(zhuǎn)換梁兩側(cè)的框支柱內(nèi)設(shè)置型鋼。底層落地剪力墻加厚，增加底層側(cè)向剛度。

2.3 加強(qiáng)構(gòu)件措施

由于本工程高層結(jié)構(gòu)的建筑高度為超B級(jí)，因此本結(jié)構(gòu)采取加強(qiáng)措施以確保其受力安全合理。采取加強(qiáng)措施如下：

（1）對(duì)于高度超限的抗震加強(qiáng)措施：將底層剪力墻和框支柱抗震等級(jí)從一級(jí)提高至特一級(jí)。底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻抗震等級(jí)從二級(jí)提高至一級(jí)。

（2）對(duì)于平面規(guī)則性超限的抗震加強(qiáng)措施：由于平面較長(zhǎng)造成樓層位移比超過規(guī)范限制1.2，但小于1.3。增大端部剪力墻水平分布筋的配筋率，加厚端跨樓板厚度并雙面雙向配筋，使端墻承受的水平地震力能傳遞至相鄰內(nèi)部剪力墻。

三、地基基礎(chǔ)及地下室設(shè)計(jì)

3.1 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

本工程的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，基礎(chǔ)采用樁基-筏板基礎(chǔ)。地下室底板面標(biāo)高為-5.350m，底板厚2.5m，主樓基礎(chǔ)埋置深度7.85米，為主樓高度的1/19.7。根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果表明，該建筑場(chǎng)地內(nèi)7層中風(fēng)化砂礫巖是良好的樁端持力層。基礎(chǔ)采用Φ850鉆孔孔灌注樁，樁端持力層設(shè)置于7層土，為嵌巖樁，嵌巖深度2.5m，樁長(zhǎng)23～28.5米，單樁抗壓承載力特征值為4200kN～5000kN。經(jīng)驗(yàn)算，在罕遇地震和風(fēng)作用工況下，邊緣部位的樁均未出現(xiàn)拉力。地下室在塔樓和裙房之間不設(shè)沉降縫，通過控制塔樓沉降量，在塔樓與裙房之間設(shè)置沉降后澆帶，并采取控制后澆帶封閉時(shí)間等措施，來調(diào)整塔樓與裙房之間的差異沉降。

3.2 地下室設(shè)計(jì)

地下室為1層，頂板樓蓋采用梁板結(jié)構(gòu)。本工程塔樓與裙房于地下相連，地上設(shè)縫脫開。塔樓外圍即為地下室外墻，同時(shí)利用地下室電梯井壁及部分填充墻布置剪力墻，使地下室剛度達(dá)到大于一層剛度2倍的嵌固要求。經(jīng)計(jì)算地下一層與一層樓層的側(cè)向剛度比為X向?yàn)?.86，Y向?yàn)?.69。地下室頂板可以作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端。鑒于本工程的地下室結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)，因此設(shè)置施工后澆帶和沉降后澆帶來減少混凝土早期收縮對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響。

四、 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

本工程采用SATWE進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)，用ETABS程序進(jìn)行了校核比較，并采用彈性時(shí)程分析結(jié)果與前兩者進(jìn)行分析比較。其主要計(jì)算結(jié)果如下。

4.1 層間位移角

表1 風(fēng)荷載和地震作用下的彈性位移角

風(fēng)荷載作用下的彈性位移角 地震作用下的彈性位移角 偶然偏心地震作用下樓層最大位移比

X方向 Y方向 X方向 Y方向 X方向 Y方向

1/3593 1/1010 1/2669 1/2175 1.03 1.29

4.2 轉(zhuǎn)換層上下樓層側(cè)向剛度比

為滿足建筑功能要求，二層有局部剪力墻無法落地，形成框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)《高規(guī)》10.2.3條，轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度比γ應(yīng)符合附錄E.0.1條。按附錄E.0.1條計(jì)算得到的等效剪切剛度比分析結(jié)果見下表。

表2 等效剪切剛度比分析結(jié)果

X向剛度（kN/m） Y向剛度（kN/m）

1層 7.0214E+07 1.7453E+08

2層 8.2429E+07 3.0113E+08

1層與2層剛度比γ 0.85 0.58

可見底層的剪切剛度為上層的58%，滿足《高規(guī)》附錄E.0.1中大于50%的要求。

4.3 罕遇地震彈塑性分析

對(duì)該高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力彈塑性分析（pushover）。采用兩種推覆力分布模式，一種是倒三角形分布模式，另一種是CQC地震力分布模式。其主要計(jì)算結(jié)果為，倒三角形分布模式下結(jié)構(gòu)能力曲線與需求譜曲線的交點(diǎn)及性能點(diǎn)坐標(biāo)為：X方向?yàn)?.251s，Y方向?yàn)?.671s，X方向需求最大層間位移角為1/458，Y方向?yàn)?/637，滿足大震下層間位移角1/120的限值。通過以上計(jì)算分析結(jié)果表明：在小震作用下，結(jié)構(gòu)各項(xiàng)控制指標(biāo)均在合理范圍內(nèi)，而且該高層結(jié)構(gòu)全部構(gòu)件的抗震承載力和層間位移均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于彈性工作狀態(tài)，滿足規(guī)范要求。在中震作用下，結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件、轉(zhuǎn)換構(gòu)件及框支框架處于彈性工作狀態(tài)。在大震作用下，薄弱位的部分構(gòu)件均未達(dá)到屈服階段且滿足變形限制要求，結(jié)構(gòu)的最大層間位移角X方向?yàn)?/458，Y方向?yàn)?/637。框支層最大層間位移角為1/9999；豎向構(gòu)件不發(fā)生剪切破壞，滿足結(jié)構(gòu)預(yù)期性能目標(biāo)和規(guī)范要求。對(duì)重要構(gòu)件的細(xì)部構(gòu)造采取加強(qiáng)措施：框支柱、轉(zhuǎn)換梁和框支層框架梁采用型鋼混凝土構(gòu)件；提高底部加強(qiáng)區(qū)墻體的分布筋配率和約束邊緣構(gòu)件的體積配箍率；各構(gòu)件的構(gòu)造均滿足高延性要求。綜上所述，高層結(jié)構(gòu)在小震、中震、大震作用下，其受力性能均滿足設(shè)計(jì)的預(yù)期性能目標(biāo)和滿足規(guī)范要求。因此本高層結(jié)構(gòu)所采取的設(shè)計(jì)措施是可行和可靠的。

五、 結(jié)語

隨著超高層住宅建設(shè)項(xiàng)目的日益增多，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題引起工程設(shè)計(jì)人員的高度關(guān)注。經(jīng)過合理地布置結(jié)構(gòu)及詳細(xì)的分析計(jì)算，遵循整體結(jié)構(gòu)小震不壞，中震可修，大震不倒，關(guān)鍵構(gòu)件中震不壞，大震可修的抗震設(shè)計(jì)思想，對(duì)重要構(gòu)件及體系中各薄弱部位分別加強(qiáng)，使得本工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)安全可行。