某高烈度區(qū)超限高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計

呂恒柱，夏 堯，張偉玉，黎德琳

某住宅項目位于宿遷市幸福中路核心商圈，緊鄰吳汪北巷與馬陵居住小區(qū)，共有四棟高層建筑?？偨ㄖ娣e82 363 m2，1號、2號樓布置相同，其結(jié)構(gòu)高度95．7 m，設(shè)2層地下室，平時為汽車庫，戰(zhàn)時為6級人防工程，地上33層，首層為架空層，以上為住宅，層高均為2．9 m，頂部機(jī)房層為4．7 m，建筑平面尺寸為32．6 m×21．3 m。建筑效果圖見圖1，結(jié)構(gòu)平面布置圖見圖2。工程已于2014年3月完成竣工驗收。

本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50 a，建筑安全等級為二級，單體抗震設(shè)防類別均為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度為8度（0．30 g），設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，特征周期0．35 s?；狙汉突撅L(fēng)壓分別為 0．35 kN／m2、0．44 kN／m2，地面粗糙度為B類［1］。地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級。

圖1 建筑效果圖

圖2 結(jié)構(gòu)平面布置圖

1 地下結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)地質(zhì)勘察報告提供的信息，1號、2號樓主樓基礎(chǔ)底位于③層密實中粗砂層，土層相對穩(wěn)定，可按均勻地基考慮，壓縮模量為20 MPa，沉降變形較小，土體抗壓承載力特征值 fak＝300 kPa，主樓部分采用筏板基礎(chǔ)，經(jīng)深度修正后，地基承載力滿足設(shè)計要求。主樓范圍筏板厚1 500 mm，并外擴(kuò)1 000 mm，其余部分基礎(chǔ)筏板厚500 mm，柱下加厚為1 000 mm的柱墩，筏板混凝土強(qiáng)度等級均為C35。在主樓和純地下室之間設(shè)沉降后澆帶，其封閉時間將根據(jù)沉降觀測報告確定，從而解決兩者之間的沉降差異。

本工程單體高寬比為 95．7／16．8＝ 5．69＞ 4，應(yīng)滿足高規(guī)［2］第 12．1．7 條和規(guī)范［3］第 5．5．2 條的相關(guān)規(guī)定，經(jīng)驗算，在風(fēng)荷載和地震作用下基底均無零應(yīng)力區(qū)；地震作用下抗傾覆力矩比最小為8．84，風(fēng)荷載作用下最小為40．23，即結(jié)構(gòu)抗傾覆驗算滿足設(shè)計要求。

因建筑功能的需要，主樓及相關(guān)范圍內(nèi)地下室頂板大面積降板，致使地下室頂板不連續(xù)，故選擇地下1層樓面為結(jié)構(gòu)嵌固端。嵌固端下部樓層與上部樓層側(cè)向剪切剛度比分別為2．65和2．00，能夠滿足規(guī)范［4］第6．1．14條關(guān)于嵌固端剛度比的要求。

2 結(jié)構(gòu)布置及超限情況

2．1 結(jié)構(gòu)布置

1號、2號棟樓均采用含個別柱的剪力墻結(jié)構(gòu)體系，其主要構(gòu)件的截面尺寸和混凝土強(qiáng)度等級變化見表1。結(jié)構(gòu)抗震等級均為一級，底部加強(qiáng)區(qū)為地下1層～地上4層，其抗震構(gòu)造措施為特一級。

表1 主要構(gòu)件截面尺寸和混凝土強(qiáng)度等級

按規(guī)范［2，4］和文獻(xiàn)［5］要求對結(jié)構(gòu)進(jìn)行超高度和不規(guī)則性方面超限檢查，檢查結(jié)果表明1號、2號樓均屬于B級高度超限高層建筑，無其他超限情況。

2．2 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

根據(jù)上述超限情況及文獻(xiàn)［6］附錄D中D．0．1—D．0．6條及工程的抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場地條件等因素，并征詢業(yè)主意見，確定兩單體抗震性能目標(biāo)為D級。具體構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)如表2所示。其中，底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻抗剪由中震不屈服提高至中震彈性，以確保關(guān)鍵構(gòu)件的抗震性能。

表2 抗震性能目標(biāo)

2．3 結(jié)構(gòu)措施

針對結(jié)構(gòu)超限情況和設(shè)定的抗震性能目標(biāo)，采取以下幾項結(jié)構(gòu)設(shè)計措施：（1）采用兩種軟件進(jìn)行小震下結(jié)構(gòu)整體性能指標(biāo)的計算與比對；（2）補(bǔ)充小震彈性時程分析，并與反應(yīng)譜法計算的結(jié)果進(jìn)行比較，設(shè)計時地震作用取兩者計算結(jié)果的包絡(luò)值；（3）對重要構(gòu)件進(jìn)行中震及大震作用截面驗算，以滿足設(shè)定的抗震性能目標(biāo)要求；（4）采用MIDAS軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)彈塑性動力時程分析，對發(fā)現(xiàn)的薄弱部位采取針對性的加強(qiáng)措施；（5）因建筑立面和景觀需要，南側(cè)陽臺位置設(shè)置的個別框架柱不考慮其第二道防線的作用，與其相連的梁按懸挑包絡(luò)設(shè)計。

3 結(jié)構(gòu)分析

3．1 小震反應(yīng)譜計算與分析

結(jié)構(gòu)分別采用 SATWE和 MIDAS／Building兩種軟件進(jìn)行計算，結(jié)果對比見表3。

由計算結(jié)果可知，1號、2號樓在規(guī)定水平力下最大水平位移和層間位移比最大為1．15，小于1．20，不存在平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則性。同時，Tt／T1為0．65，表明結(jié)構(gòu)具有較好的抗扭剛度；且雙向平動周期接近，結(jié)構(gòu)兩個主軸方向的動力特性相近［7］；樓層層間位移角滿足高規(guī)［2］要求，表明結(jié)構(gòu)體系具有良好的抗側(cè)剛度。

表3 兩種程序的計算結(jié)果對比

3．2 小震彈性時程分析

小震彈性時程分析采用3條天然波和1條人工波，4條地震波均包括 X、Y兩個方向的輸入分量，主、次方向峰值加速度比值為1∶0．85。計算時，小震波有效峰值加速度調(diào)整至規(guī)范值35 cm／s2。

圖3給出了4組地震波的計算反應(yīng)譜，圖中圓點表示結(jié)構(gòu)主要周期對應(yīng)的地震影響系數(shù)，表明時程曲線地震影響系數(shù)與設(shè)計反應(yīng)譜在統(tǒng)計意義上相符。

圖3 主、次方向地震波計算譜與反應(yīng)譜對比

時程分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)體系無明顯薄弱層，4組時程曲線計算得到的結(jié)構(gòu)底部剪力和底部剪力平均值均滿足規(guī)范要求。且時程法計算所得的基底剪力與反應(yīng)譜法比較接近，計算結(jié)果的變化規(guī)律大致相符，滿足設(shè)計要求，各工況下樓層地震剪力見圖4。

圖4 X向和Y向樓層地震剪力圖

3．3 中震作用下抗震性能設(shè)計

3．3．1 剪力墻軸壓比

軸壓比是影響剪力墻在地震作用下塑性變形能力的重要因素。相同條件的剪力墻，軸壓比小的延性好，軸壓比高的延性差。高規(guī)［2］規(guī)定重力荷載代表值作用下一級剪力墻墻肢軸壓比限值為0．5。本工程墻肢較多且基本為左右對稱結(jié)構(gòu)，選取了具有代表性的墻肢進(jìn)行構(gòu)件復(fù)核驗算，部分墻肢驗算軸壓比結(jié)果如圖5所示，底部墻肢最大軸壓比在0．3左右，較規(guī)范限值尚有一定富余度，從軸壓比角度保證了墻肢的較好延性。在主樓全高范圍內(nèi)各墻肢軸壓比隨高度的變化分布情況見圖6。

圖5 部分墻肢底層軸壓比及暗柱型鋼設(shè)置

圖6 各層軸壓比隨高度變化情況

3．3．2 底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻中震作用下抗剪驗算

初步設(shè)計時，根據(jù)SATWE配筋文件，1號、2號樓墻 Q1y、Q2y、Q5y（位置見圖 5）6 層以下墻體抗彎配筋率超限，墻Q4y在3層以下墻體抗彎配筋率超限。應(yīng)用SATWE的“剪力墻組合配筋修改及驗算”模塊補(bǔ)充驗算上述墻體抗彎承載力，墻Q4y實際不超限，其它墻體仍然超限；檢查超配筋信息結(jié)果文件，沒有發(fā)現(xiàn)剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)剪壓比超限的情況。

針對抗彎超限墻體，在其端部增設(shè)型鋼暗柱，形成型鋼混凝土剪力墻。經(jīng)程序重新驗算，抗彎不再超限，滿足不屈服設(shè)計要求（見表4），具體型鋼暗柱的布置見圖5。對于施工縫驗算超限的墻肢，施工圖階段根據(jù)實配鋼筋驗算施工縫抗滑移，不滿足計算要求之處，采用了補(bǔ)插短筋措施。

表4 中震不屈服工況底層墻體剪壓比

3．4 大震動力彈塑性分析

本工程屬B級高度高層建筑，采用有限元軟件MIDAS／Building進(jìn)行彈塑性動力時程分析。計算大震時輸入地震加速度最大值調(diào)整至抗規(guī)［4］要求值510 cm／s2，共計算3組非線性動力時程工況（兩組天然波：P0745、P0740 和一組人工波：Part）。

表5給出了小震和大震各工況下的基底剪力最大值的計算結(jié)果，表明結(jié)構(gòu)在大震作用下的最大基底剪力為小震時的3到4倍，經(jīng)與類似工程［8－10］分析結(jié)果對比可知，本工程大震時程分析基底剪力與小震基底剪力之比在合理比值范圍內(nèi)。

表5 X、Y 向結(jié)構(gòu)最大樓層剪力

設(shè)計采用MIDAS／Building中混凝土纖維理想彈塑性剪切本構(gòu)關(guān)系［11］，通過屈服殘留系數(shù)評價剪力墻是否屈服，其中，剪切成分的屈服是按高斯點的屈服數(shù)量占高斯點總數(shù)的比值來判斷（狀態(tài)＝γ／γ1）。

由各工況下1號、2號樓剪力墻的整體損傷結(jié)果（模型中未計入根據(jù)中震分析需加入的型鋼暗柱的影響，則實際損傷程度應(yīng)有所減輕）可知，樓層底部尤其在嵌固層墻肢塑性變形明顯，頂部1／3樓層剪力墻損傷輕微；墻開洞所成連梁及兩側(cè)墻肢損傷較重，且連梁先于框架梁和剪力墻進(jìn)入塑性，符合抗震設(shè)計要求；地下2層剪力墻也有一定的塑性發(fā)展?？蚣芰赫w損傷情況采用延性系數(shù)（D／D2）評價框架梁塑性鉸的發(fā)展程度，其中，D為實際發(fā)生的總變形值，D2為第二屈服變形值（即混凝土梁屈服時的變形值）。結(jié)果顯示框架梁的損傷普遍存在，且頂部樓層框架梁塑性發(fā)展較深入，達(dá)屈服應(yīng)變的3倍～4倍，框架梁的彈塑性變形有效耗散了一部分地震能量［12］。同時，通過對各組波輸入下結(jié)構(gòu)變形和樓層剪力的對比，判斷人工波Part輸入下結(jié)構(gòu)塑性損傷程度相對最大。設(shè)計時，作為小震和中震加強(qiáng)措施的補(bǔ)充，將根據(jù)相對損傷程度有針對性地于底部加強(qiáng)區(qū)部分剪力墻中增設(shè)型鋼以提高承載力和延性。

3．5 整體結(jié)構(gòu)承載力檢查

根據(jù)高規(guī)［2］第 3．11．3 條條文說明：第 4 性能水準(zhǔn)時整體結(jié)構(gòu)承載力不發(fā)生下降，第5性能水準(zhǔn)時結(jié)構(gòu)同一樓層豎向構(gòu)件不宜全部進(jìn)入屈服并宜控制整體結(jié)構(gòu)承載力下降幅度不超過10%，則采用靜力彈塑性推覆分析檢查本工程整體結(jié)構(gòu)承載力是否出現(xiàn)下降和下降的幅度。

靜力彈塑性推覆分析采用 MIDAS／Building，其中梁柱采用FEMA鉸，剪力墻采用纖維鉸。在荷載工況中考慮結(jié)構(gòu)初始荷載，推覆力模型采用層地震剪力分布模型，采用位移增量控制方法。采用ATC40建議的有效阻尼計算彈塑性需求譜，需求譜與能力譜的交點為性能點。計算結(jié)果如圖7所示。

圖7 X向和Y向性能曲線和性能點

由圖7可見，在各地震水準(zhǔn)下，整體結(jié)構(gòu)承載力均未出現(xiàn)下降。X向和Y向不同地震水準(zhǔn)下性能點的詳細(xì)信息見表6。

表6 X和Y 向不同水準(zhǔn)下性能點結(jié)果

從有效阻尼比一列可以看出，中震時有效阻尼比達(dá)到12%以上，說明在進(jìn)行SATWE中震不屈服分析時取6%的阻尼比是可行的；大震時的有效阻尼比達(dá)到21%以上，而結(jié)構(gòu)整體承載力未下降，說明結(jié)構(gòu)整體耗能能力較好［13］。

4 結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計和抗震加強(qiáng)措施

針對超限問題和抗震性能設(shè)計中發(fā)現(xiàn)的薄弱部位，施工圖設(shè)計采取了如下技術(shù)措施［14－15］：

（1）1號、2號樓底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻進(jìn)行小震彈性、中震抗剪彈性和中震抗彎不屈服包絡(luò)設(shè)計，且構(gòu)造措施提高至特一級。

（2）樓層地震剪力取彈性時程計算結(jié)果與振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的包絡(luò)值進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（3）對于中震不屈服設(shè)計中按普通混凝土墻設(shè)計抗彎超限的墻體，于其端部邊緣構(gòu)件中增設(shè)型鋼暗柱，具體為1號、2號樓 Y向外側(cè)墻體（Q1y、Q2y和Q5y）底部加強(qiáng)區(qū)和過渡區(qū)。

（4）在拉應(yīng)力較大的墻肢端部邊緣構(gòu)件中加配型鋼暗柱，具體為1號、2號 X向外側(cè)墻體（Q1x、Q2x、Q4y和Q5y）底部加強(qiáng)區(qū)和過渡區(qū)。

（5）提高底部加強(qiáng)區(qū)周邊剪力墻墻身豎向分布筋配筋率至0．6%，且不小于計算值。

（6）剪跨比較小的連梁中配置斜筋或鋼板以改善耗能能力。

（7）對于大震分析發(fā)現(xiàn)的少量X向墻抗剪截面超限問題，設(shè)計中增設(shè)型鋼暗柱形成型鋼混凝土剪力墻，以滿足剪壓比要求，避免剪切脆性破壞。

綜合以上各點，并協(xié)調(diào)整體結(jié)構(gòu)的抗震性能，設(shè)計中將按表7執(zhí)行各項技術(shù)措施，以保證結(jié)構(gòu)達(dá)到D級抗震性能設(shè)計目標(biāo)。

表7 抗震性能設(shè)計技術(shù)措施

表中帶圈編號分別表示：

①小震振型分解反應(yīng)譜法與彈性動力時程分析法的配筋包絡(luò)值；

②中震彈性振型分解反應(yīng)譜法配筋設(shè)計值；

③中震不屈服振型分解反應(yīng)譜法（等效彈性方法，以下簡稱“中震不屈服設(shè)計”）配筋設(shè)計值；

④中震不屈服設(shè)計中，正截面發(fā)生屈服的墻肢中配置型鋼暗柱形成型鋼混凝土剪力墻；

⑤中震不屈服設(shè)計中，名義拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的剪力墻中配置型鋼暗柱形成型鋼混凝土剪力墻；

⑥大震彈塑性動力時程分析結(jié)果中，剪壓比超限墻肢中配置型鋼暗柱形成型鋼混凝土剪力墻；

⑦中震不屈服設(shè)計中，外周剪壓比超限的連梁中配置型鋼腹板，內(nèi)部剪壓比超限的連梁中配置交叉斜筋；

采取技術(shù)措施后的型鋼暗柱平面布置見圖5，型鋼暗柱大樣見圖8。

圖8 型鋼暗柱大樣圖（尺寸單位：mm）

5 型鋼柱柱腳加強(qiáng)措施

型鋼柱柱腳的常規(guī)做法是錨栓預(yù)先錨固在錨座中，該做法主要存在如下弊?。海?）預(yù)先固定好的型鋼柱柱腳底板尺寸較大，一般超過600 mm×600 mm，與錨座間的間隙又很小，一般只有40 mm～80 mm；（2）底板與錨座之間的狹小間隙里，疊加擺放了至少兩層鋼筋，致使灌漿通道曲折，不易操作；（3）在這種不利條件下要保證二次灌漿密實，對施工人員的素質(zhì)要求非常高；（4）由于是二次塞灌隱蔽施工，不利于監(jiān)督和檢查，施工質(zhì)量難以保證。

因本項目多處剪力墻內(nèi)設(shè)有型鋼暗柱，為了解決上述常規(guī)型鋼柱柱腳組裝方式留下的柱腳底板下二次灌漿不易密實的“痼疾”，避免留下安全隱患，設(shè)計在型鋼暗柱柱腳底板與錨座之間增加一塊柱腳調(diào)平座板［16］，調(diào)平座板只需6 mm～10 mm厚，減少了調(diào)平螺母和柱腳底板的開孔（必要時座板上亦可開孔），板上對應(yīng)錨栓位置開設(shè)橢圓孔或長圓孔。如果板件平面尺寸較大，可在中部適當(dāng)開孔以節(jié)約鋼材。增設(shè)柱腳調(diào)平座板后，在保證型鋼柱柱身垂直度和柱身有效傳力，同時，可有效保證柱腳底板下的座漿密實，工序銜接嚴(yán)密，易于監(jiān)督與檢查，做法見圖9。

圖9 型鋼混凝土柱腳大樣圖（尺寸單位：mm）

6 結(jié) 論

（1）基于抗震性能化設(shè)計思想能夠較好的指導(dǎo)高烈度區(qū)的超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計，針對構(gòu)件的重要程度分別采取不同的性能水準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計是十分必要且合理的。

（2）為實現(xiàn)結(jié)構(gòu)大震不倒的抗震性能目標(biāo)，應(yīng)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震動力彈塑性時程分析，并依據(jù)其分析結(jié)果，對發(fā)現(xiàn)的薄弱部位和構(gòu)件采取有針對性的加強(qiáng)措施，保證重要部位不屈服，有效控制結(jié)構(gòu)整體的變形能力和抗震承載能力。

（3）暗柱內(nèi)增設(shè)型鋼，在增加土建造價較少的情況下較大幅度提高了結(jié)構(gòu)抗震性能，該結(jié)構(gòu)體系能夠滿足預(yù)期的抗震性能目標(biāo)，表明該結(jié)構(gòu)形式相較于普通剪力墻結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，在高烈度地區(qū)剪力墻結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用是結(jié)構(gòu)設(shè)計的新趨勢。

（4）增設(shè)柱腳調(diào)平座板后，在保證型鋼柱柱身垂直度的同時，可有效保證柱腳底板下的座漿密實，工序銜接嚴(yán)密，易于監(jiān)督與檢查。

［1］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009—2012［S］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012：26-33．

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［5］ 中華人民共和國建設(shè)部．關(guān)于印發(fā)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》的通知：建質(zhì)［2010］109號［A］．2010－07－16．

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