某超高層住宅結(jié)構(gòu)方案比選

錢鈞瓏

引言

本項目為超高層住宅，地上46層，房屋高度為148.65m。一般而言，板式高層住宅多采用剪力墻結(jié)構(gòu)。初設(shè)時，結(jié)構(gòu)方案有兩個，甲為剪力墻結(jié)構(gòu)，乙為框-剪結(jié)構(gòu)。根據(jù)抗規(guī)、高規(guī)及建質(zhì)[2010]109號文的規(guī)定，甲屬B級高度超限建筑，乙屬超B級高度超限建筑。設(shè)計采用SATWE程序進行小震反應譜彈性計算對比分析，綜合考慮后選用B方案。

1 工程概述

項目地上46層，上部結(jié)構(gòu)嵌固端取在地下室頂板。主樓豎向規(guī)則，無突變[1]?？拐鹪O(shè)防類別丙類，設(shè)防烈度Ⅵ度，設(shè)計地震分組第二組，設(shè)計基本地震加速度值0.15g，特征周期0.45s，場地類別Ⅱ類。主樓基礎(chǔ)采用人工挖孔灌注樁基礎(chǔ)，樁端持力層為中風化花崗巖層。

2 地震作用

2.1 計算分析方法

結(jié)構(gòu)抗震計算采用振型分解反應譜法計算，并考慮扭轉(zhuǎn)對結(jié)構(gòu)的影響，地震作用分別考慮雙向地震作用和質(zhì)量偶然偏心的不利影響，取二者不利值作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)。

2.2 安評與抗規(guī)的地震作用比較

小震作用下，當周期小于約3s時，安評提供的地震影響系數(shù)較大；反之，規(guī)范較大。中震和大震作用下，當周期小于約3.5s時，安評提供的地震影響系數(shù)較大；反之，規(guī)范較大。

2.3 天然波及人工波的選取

按照《抗規(guī)》規(guī)定，甲選用2組天然波（T631、T633）、1組人工波（R632），乙選用2組天然波（L0524、S0640）、1組人工波（S745）。

3 結(jié)構(gòu)體系對比分析

甲主體結(jié)構(gòu)采用剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻抗震等級一級；乙采用框剪結(jié)構(gòu)，剪力墻、框架抗震等級一級；二者主要區(qū)別是乙將甲戶內(nèi)的4片Y向長墻調(diào)整為4榀Y向框架。

由兩個結(jié)構(gòu)體系布置情況可知：

（1）甲為剪力墻結(jié)構(gòu)，是板式高層住宅的常用結(jié)構(gòu)選型，布置中規(guī)中矩；但剪力墻墻厚偏大，且基本上將主要建筑隔墻布滿，造成主體結(jié)構(gòu)自重過大，且結(jié)構(gòu)Y向的抗側(cè)力剛度比X向大。

（2）乙為框-剪結(jié)構(gòu)，剪力墻主要布置在樓電梯間及建筑外墻，且剪力墻端部結(jié)合建筑平面設(shè)有端框柱；戶內(nèi)大部空間不布置剪力墻，而是結(jié)合建筑隔墻軸網(wǎng)布置框柱；主體結(jié)構(gòu)自重較小，結(jié)構(gòu)X、Y向的抗側(cè)力剛度較協(xié)調(diào)。

從使用功能來看，B方案較理想，也較經(jīng)濟。

4 抗震超限情況對比

根據(jù)規(guī)定，甲、乙的超限情況基本一致，甲屬屬B級高度超限建筑，乙屬超B級高度超限建筑，均需做抗震設(shè)防專項論證。相比較，乙針對超限采取的抗震加強措施應比甲嚴格。

5 彈性計算結(jié)果對比分析

初步設(shè)計以SATWE為主要計算分析軟件，采用振型分解反應譜法計算地震作用，考慮偶然偏心及雙向地震作用；采用CQC法進行振型組合，采用抗規(guī)方法計算雙向地震作用。小震下彈性計算結(jié)果對比如下：

5.1 周期與有效質(zhì)量系數(shù)對比

從周期計算結(jié)果可知：甲、乙的結(jié)構(gòu)周期計算基本正常，滿足規(guī)范規(guī)定；但甲的結(jié)構(gòu)周期比乙小，說明甲的結(jié)構(gòu)剛度較大。

5.2 結(jié)構(gòu)總質(zhì)量及剪重比對比

由于甲的結(jié)構(gòu)剛度大，自重大，其產(chǎn)生的地震效應較大，造成剪重比偏大，不能有效發(fā)揮抗側(cè)力體系的作用，也較不經(jīng)濟。因此，乙較理想。

5.3 層間位移角對比

由于甲的兩向結(jié)構(gòu)剛度差別較大，造成二者的位移角極不協(xié)調(diào)，較不經(jīng)濟。事實上，乙雖然為框剪結(jié)構(gòu)，但其地震作用下的最大位移角基本上可滿足高規(guī)規(guī)定的剪力墻結(jié)構(gòu)限值。因此，乙較理想。

5.4 地震和風作用下的傾覆彎矩對比

風荷載作用下，甲、乙的傾覆彎矩差別不大。地震作用下，甲兩向的傾覆彎矩差別較大，Y向是X向的1.24倍；其次，乙的傾覆彎矩遠遠小于甲，甲X向是乙的1.75倍，Y向是2.15倍。因此，甲較不經(jīng)濟，乙較理想。

經(jīng)過以上對比分析，最終選擇乙。施工圖階段，本項目分別采用ETABS和SATWE兩個不同力學模型的空間結(jié)構(gòu)分析程序計算，構(gòu)件設(shè)計經(jīng)判斷分析后采用二者的大值。選取2組天然波及1組人工波，對結(jié)構(gòu)作小震作用下的彈性時程分析，取CQC法計算值、3組地震波計算結(jié)果包絡(luò)值的大者用于設(shè)計，使結(jié)構(gòu)各項指標均能滿足相關(guān)規(guī)范的有關(guān)要求，達到小震作用下“結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，各構(gòu)件無損傷、完好”的抗震性能目標。

6 針對超限情況采取的加強措施

本項目結(jié)構(gòu)布置上通過計算調(diào)整抗側(cè)力構(gòu)件的布置，減少結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)，保證框架、剪力墻協(xié)同工作。此外，還采取了抗震加強措施，主要有：

（1）底部加強區(qū)的框架、剪力墻以及中震下小偏心受拉的豎向構(gòu)件抗震等級按特一級，特一級的框架柱、剪力墻端柱加設(shè)型鋼。

（2）中震作用下，底部加強區(qū)的剪力墻承載力按抗剪彈性、抗彎不屈服設(shè)計，框架柱按彈性設(shè)計。

（3）對重要部位的連梁配置鋼板，以加強其抗剪性能，實現(xiàn)“強剪弱彎”。

（4）適當增加落地剪力墻的配筋，提高剪力墻暗柱及墻身的配筋率，保證剪力墻延性良好。

7 結(jié)論

某高層住宅房屋高度148.65m，初步設(shè)計采用SATWE對兩個結(jié)構(gòu)方案進行小震下的彈性計算及做彈性時程分析，最終選用框剪結(jié)構(gòu)方案，屬超B級高度超限建筑。通過計算分析和采取相應的抗震構(gòu)造加強措施，基本保證了結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能。該項目針對超限結(jié)構(gòu)采取的方案比選方法，可供類似超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計參考。

[1]沈 晗.廈門某超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計與性能[J].廣東建材，2013，29（07）：44～48.

[2]錢鈞瓏.某超限建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計[J].居舍，2017（31）：79.