某項目A區(qū)超高層剪力墻結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計

來武清，包洪余，楊越

（中機中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039）

1 工程概況

重慶融創(chuàng)·凱旋路項目A區(qū)包含3棟（1#、2#和3#樓）超高層住宅建筑，結(jié)構(gòu)形式為剪力墻結(jié)構(gòu)。從嵌固端算起的結(jié)構(gòu)高度，1#樓為181.90m；2#、3#樓為182.50m，結(jié)構(gòu)高度均超過B級高度限制。

結(jié)構(gòu)存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凸凹不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)等3項不規(guī)則。單體的典型結(jié)構(gòu)平面如圖1所示。結(jié)構(gòu)底部存在兩層通高的抗震不利因素。

圖1 結(jié)構(gòu)平面布置圖

該工程的抗震性能設(shè)計目標為D級[1,3]。

針對工程的超限情況和性能目標的要求，對結(jié)構(gòu)進行了小震、中震、大震下的詳細分析和其他針對性的補充分析驗算。以1#樓為例，對分析計算結(jié)果進行介紹。

2 結(jié)構(gòu)的小震彈性反應(yīng)譜對比分析

在小震彈性反應(yīng)譜分析時，采用satwe和midas building兩款軟件對結(jié)構(gòu)的常規(guī)參數(shù)（質(zhì)量、周期、陣型、剛度比、抗剪承載力之比、作用力、位移、位移比、剪重比、整體穩(wěn)定、軸壓比、舒適度）進行了詳細的對比分析，主要對比結(jié)果如表1所示。

表1 小震彈性反應(yīng)譜指標對比

兩款軟件計算的小震反應(yīng)譜結(jié)果吻合良好，驗證了模型的正確性和合理性。

3 小震彈性時程分析

該工程進行了地震安全性評估，《安評》建議的地震動參數(shù)比規(guī)范[1-2]的地震動參數(shù)大，故分析設(shè)計時采用《安評》建議的地震動參數(shù)。根據(jù)規(guī)范[1-2]的選波原則選取兩條人工波（rgb1、rgb2）和5條天波（Usa00361、Usa00683 Usa00684、Usa00707、Usa00867）進行時程分析。地震波的地震影響系數(shù)與《安評》反應(yīng)譜的地震影響系數(shù)對比如圖2所示。

圖2 地震波與《安評》反應(yīng)譜地震影響系數(shù)比較

在前三階周期點上的地震影響系數(shù)比較如表2所示。

表2 主要周期點上地震影響系數(shù)比較

由表2可知，多條地震波的平均地震影響系數(shù)和安評反應(yīng)譜地震影響系數(shù)在統(tǒng)計意義上相符。

各條波計算的底層剪力與CQC法計算的底層剪力對比如表3所示。

表3 小震彈性時程底層剪力與CQC法底層剪力的比較（kN）

可見，每條地震波計算的底部剪力與振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果之間的誤差均在35%以內(nèi)，7條波計算的平均底部剪力與振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果之間的誤差在20%以內(nèi)。驗證了所選地震波的有效性和結(jié)構(gòu)模型的合理性。取7條波彈性時程計算的平均值與反應(yīng)譜法的較大值進行強度設(shè)計。

4 大震彈塑性動力時程分析

采用SAUSAGE軟件，選取了2條天然波（USA00707、USA00683）和1條人工波（rgb1）對結(jié)構(gòu)進行了彈塑性動力時程分析。

結(jié)構(gòu)的底層剪力時程曲線如圖3。

圖3 結(jié)構(gòu)底層剪力時程曲線

大震彈塑性計算的基底剪力如表4。

可見，大震彈塑性動力時程計算的基底剪力比大震彈性反應(yīng)譜計算的基底剪力小。說明結(jié)構(gòu)在大震彈塑性動力時程分析時發(fā)生了塑性損傷，結(jié)構(gòu)剛度減小，故地震作用剪力減小。

頂點位移和最大層間位移角如表5所示。

可見，各條波的大震動力彈塑性時程分析的層間位移角均滿足規(guī)范的彈塑性層間位移角限值（1/100）的要求。

計算發(fā)現(xiàn)，在大震地震波作用下結(jié)構(gòu)的2F和3F層間位移角明顯偏大，如圖4所示。原因在于1F～3F兩層通高，造成此兩層在大震下的反應(yīng)較大。對此，在穿層剪力墻的邊緣構(gòu)件中增加型鋼，以提高其變形能力和抗震性能。加型鋼前后的大震動力彈塑性時程分析層間位移角對比如圖4所示。

表4 大震彈塑性時程最大基底剪力對比

表5 大震彈塑性時程頂點位移及最大層間位移角

圖4 樓層最大層間位移角曲線

結(jié)構(gòu)底部穿層墻加型鋼后，底部樓層（2F和3F）層間位移角明顯偏大的現(xiàn)象得到改善，且薄弱樓層沒有轉(zhuǎn)移，層間位移角沿樓層分布均勻。

框架的損傷分布和剪力墻的損傷分布如圖5和圖6所示。

圖5 框架損傷分布

圖6 剪力墻損傷分布

可見，結(jié)構(gòu)的損傷主要集中在左上和右上角的剪力墻。采取提高其配筋率和配箍率的措施進行加強。

5 穿層墻肢的補充分析

性能設(shè)計時對穿層墻提出了中震彈性、大震不屈服的抗震性能目標。1#樓的穿層墻編號如圖7所示。

圖7 1#樓穿層墻編號

用墻肢實際配筋分別計算墻肢截面彈性和不屈服的N-M（軸力-彎矩）相關(guān)曲線。分別將等效彈性法計算的中震、大震下的墻肢的各荷載工況組合下的（M,N）點繪于墻肢的N-M相關(guān)曲線的圖上，如圖8和圖9所示。

圖8 Q1穿層墻N-M相關(guān)曲線及內(nèi)力點

由圖8可知，位于結(jié)構(gòu)下部左右兩側(cè)的Q1在大震下的墻肢出現(xiàn)較大拉力，通過增加型鋼（延伸埋入基礎(chǔ)內(nèi)）的方式來抗拔。增加型鋼之前大震內(nèi)力點處于N-M相關(guān)曲線外，增加型鋼后大震內(nèi)力點處于N-M相關(guān)曲線內(nèi)?？梢娡ㄟ^增加型鋼抗拔的措施后，Q1能滿足中震彈性大震不屈服的性能目標。

圖9 Q2～Q10穿層墻N-M相關(guān)曲線及內(nèi)力點

由圖9可知，Q2～Q10穿層墻的中震下各工況組合內(nèi)力點均落在彈性N-M相關(guān)曲線內(nèi)，大震內(nèi)力點均落在不屈服N-M相關(guān)曲線內(nèi)。表明穿層墻在中震作用下處于彈性狀態(tài)，在大震作用下處于不屈服狀態(tài)。穿層墻能滿足中震彈性、大震不屈服的性能目標。

表6 穿層墻肢穩(wěn)定性驗算表

此外，穿層墻肢兩層通高高度為8m，按照《高規(guī)》附錄D進行穿層墻肢的穩(wěn)定性驗算，如表6所示。

可見，穿層墻均能滿足大震下的墻肢穩(wěn)定性要求。

6 超限措施

按照概念設(shè)計和性能設(shè)計[3-4]的思路和原則，結(jié)合以上分析結(jié)果，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件從如下幾個方面進行加強。

（1）對穿層墻，通過增設(shè)型鋼、增大邊緣構(gòu)件縱筋和箍筋、增大墻身分布筋配筋率、控制軸壓比的方式提高其抗震性能。

（2）對于大震下受拉的墻肢（Q1），增設(shè)型鋼，將型鋼延伸埋入基礎(chǔ)內(nèi)，以抵抗墻肢的拉力，同時增大縱筋、箍筋和分布筋的配置。

（3）對損傷集中的左上和右上角的剪力墻，采取提高其邊緣構(gòu)件縱筋率和配箍率、墻身分布筋配筋率的措施進行加強。

（4）對于連梁，通過配置對角斜向鋼筋、提高縱筋率和箍筋率的方式提高抗剪能力和耗能能力。

（5）對于應(yīng)力集中的樓板區(qū)域，采取加大板厚、配筋雙層雙向加大的方式進行加強。

（6）其他有針對性的加強措施。

7 結(jié)論

該工程1#、2#（3#）塔樓為超B級高度剪力墻結(jié)構(gòu)，底部兩層通高，且存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凸凹不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)3項不規(guī)則。對結(jié)構(gòu)進行了概念設(shè)計和抗震性能化設(shè)計。采用多種計算程序?qū)Y(jié)構(gòu)進行了小、中、大震下的詳細分析和其他有針對性的補充分析。并根據(jù)計算結(jié)果對結(jié)構(gòu)構(gòu)件提出了有針對性的超限措施。

綜上所述，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理有效，并且安全可行。

[1]JGJ3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 [S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2]GB50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3]朱炳寅.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程運用于分析JGJ3-2010[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[4]徐培福.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.