高烈度區(qū)高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王益山，劉聰明，謝能俏，馮超林，許宇超

（深圳市建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司 深圳 518031）

1 工程概況

本項(xiàng)目位于云南省大理州洱源縣，建設(shè)場(chǎng)地北臨緯二路、東臨河濱大道、西臨文碧路。項(xiàng)目地面以上由若干棟15F～18F 高層住宅塔樓及多層商業(yè)裙樓組成，設(shè)1層地下室。建筑效果如圖1所示。

圖1 建筑效果圖Fig.1 Architectural Effect Drawing of the Project

塔樓地上以18層為主，建筑高度54.0 m。由于建筑功能的需求，均采用剪力墻結(jié)構(gòu)，無轉(zhuǎn)換。

本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)周期和設(shè)計(jì)使用年限為50年。建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別為丙類。該項(xiàng)目抗震設(shè)防烈度8 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.30 g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類，特征周期為0.65 s。按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009-2012》，本項(xiàng)目基本風(fēng)壓為0.65 kN/m2，地面粗糙度為C 類。結(jié)構(gòu)計(jì)算的嵌固端設(shè)在地下室頂板。采用 PKPM（V4.2 版本）［1］軟件對(duì)本項(xiàng)目塔樓進(jìn)行小震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文以9號(hào)樓為例，重點(diǎn)介紹高烈度區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中如何處理常遇問題的一些方法。

2 場(chǎng)地對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

本項(xiàng)目場(chǎng)地10 km 范圍內(nèi)屬發(fā)震斷裂帶，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50011-2010（2016年版）》［2］（以下簡稱《抗規(guī)》）3.10.3條需考慮近場(chǎng)效應(yīng)，增大系數(shù)宜取值1.5。同時(shí)《抗規(guī)》4.1.7條規(guī)定在采用小震彈性反應(yīng)譜進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震承載力驗(yàn)算時(shí)，抗震設(shè)防烈度為8 度和9 度時(shí)，隱伏斷裂的土層覆蓋厚度分別大于60 m 和90 m 時(shí)，可忽略斷裂錯(cuò)動(dòng)對(duì)地面建筑的影響。本項(xiàng)目的土層覆蓋厚度大于60 m，故小震設(shè)計(jì)時(shí)未考慮近場(chǎng)放大效應(yīng)。

3 結(jié)構(gòu)布置

9號(hào)樓建筑共18F，結(jié)構(gòu)高度為54.0 m，結(jié)構(gòu)長度為28.6 m，結(jié)構(gòu)寬度13.6 m，故結(jié)構(gòu)高寬比為3.97，結(jié)構(gòu)長寬比為2.1。墻厚為200～300 mm，剪力墻布置如圖2、圖3所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖Fig.2 The Structure Plan View of Standard Layer

圖3 結(jié)構(gòu)模型Fig.3 The Structure Model

樓面結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓蓋體系，考慮到地下室頂板為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端，加強(qiáng)地下室頂板梁柱結(jié)構(gòu)體系。墻柱混凝土為C50～C60，梁板為C30；鋼筋強(qiáng)度等級(jí)為HRB400，HRB500；現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板式樓蓋地下室頂板板厚180 mm，核心筒內(nèi)、塔樓屋面板厚120 mm，標(biāo)準(zhǔn)層板厚100～130 mm；標(biāo)準(zhǔn)層框架梁截面最大300 mm×1 250 mm，最小200 mm×450 mm；標(biāo)準(zhǔn)層剪力墻厚度最大300 mm，最小200 mm。

4 設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)及處理方法

本項(xiàng)目位于云南省，指標(biāo)控制需滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 3-2010》［3］（以下簡稱《高規(guī)》）的要求，小震作用下的位移角限值按1/1 000 執(zhí)行。在計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)，由于地震力隨著剪力墻的厚度增加而增加，但只增加剪力墻的厚度并不能有效地控制位移，反而會(huì)適得其反，需采取其他途徑降低地震力或提高建筑物的抗側(cè)剛度。其次墻肢及連梁、框架梁的剪壓比非常容易超限。剪壓比是保證建筑高層結(jié)構(gòu)延性、安全度的重要措施，需采用有效措施調(diào)整以滿足規(guī)范要求。高烈度項(xiàng)目四周的墻肢承載力基本處于拉彎狀態(tài)，承載力也很容易超限，也需解決。

4.1 位移角的處理方法

⑴剪力墻布置的時(shí)候要考慮腹板和翼緣的共同作用［4］。在滿足建筑功能的情況下盡量在四周墻體處多設(shè)有效翼緣，不要無謂的增加墻長及厚度。因?yàn)樵诜治鲇?jì)算一個(gè)主軸方向的剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度時(shí)，另一個(gè)主軸方向與這個(gè)計(jì)算主軸方向剪力墻端部相連的有效翼緣會(huì)一起協(xié)同工作。對(duì)提高整體抗側(cè)剛度十分有效。

⑵《抗規(guī)》5.2.7條，結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算，一般情況下可不計(jì)入地基與結(jié)構(gòu)相互作用的影響。由于本項(xiàng)目嵌固端取在地下室頂板，故上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)只取了地上模型，并未帶入地下室［5］。

⑶根據(jù)《抗規(guī)》6.2.13條文說明，計(jì)算位移時(shí)連梁剛度可不折減。

⑷重力荷載值做到精細(xì)。在高烈度區(qū)，地震力對(duì)重力荷載的大小十分敏感，荷載取值過高，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)既不安全也不經(jīng)濟(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，首先采用輕質(zhì)隔墻材料，比如加氣混凝土砌塊等；其次梁上磚墻荷載扣除梁高、考慮門洞的影響；考慮扣除掉梁板重疊、墻板重疊的重量，這點(diǎn)在高烈度區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)尤其重要。

4.2 剪壓比超限的處理方法

規(guī)范針對(duì)不同的構(gòu)件分別給出了剪壓比的不同限值。為了保證構(gòu)件的延性，高烈度區(qū)更應(yīng)該從嚴(yán)控制。當(dāng)剪壓比超過規(guī)范限值時(shí)，構(gòu)件的剛度和強(qiáng)度都會(huì)有明顯的退化，此時(shí)增加箍筋用量，也不能發(fā)揮作用，因此對(duì)構(gòu)件的截面尺寸有所要求［6］。本項(xiàng)目針對(duì)不同的構(gòu)件采取了以下不同的措施：

⑴針對(duì)連梁：采用設(shè)雙連梁，設(shè)置交叉斜筋，縮短墻肢長度減小連梁剪力，提高混凝土等級(jí)等措施；

⑵針對(duì)剪力墻：采用提高混凝土等級(jí)，縮短墻肢，調(diào)整周邊剪力墻布置等措施，根據(jù)《抗規(guī)》6.2.9條驗(yàn)算剪力墻剪壓比的截面可采用墻肢長度，軟件計(jì)算采用的是有效高度；

⑶針對(duì)框架梁：采用局部指定混凝土等級(jí)同剪力墻，調(diào)整支座剪力墻的長度，設(shè)置鋼骨等措施。

4.3 墻肢承載力超限的處理方法

高烈度底部加強(qiáng)區(qū)的墻肢很容易處于拉彎受力狀態(tài)，由于軟件默認(rèn)的暗柱長度為400 mm，很容易就導(dǎo)致墻肢承載力超限。可采用以下兩種方式處理：

⑴提高墻身豎向分布筋的配筋率。由于豎向分布筋是均勻布置在墻體中，而非集中布置在墻體兩端，導(dǎo)致抵抗彎矩的力臂作用有限，墻身分布筋對(duì)截面承載力貢獻(xiàn)不大，故采用此方法時(shí)造價(jià)會(huì)急劇上升。

⑵按實(shí)際的計(jì)算結(jié)果人為調(diào)整暗柱的尺寸大小，控制暗柱的配筋率小于5%，此時(shí)由于暗柱中的鋼筋合力點(diǎn)的力臂發(fā)生了變化，需要反算承載力，對(duì)原計(jì)算結(jié)果進(jìn)行放大修正。本項(xiàng)目放大系數(shù)約為1.1。

5 結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估

由于該項(xiàng)目位于強(qiáng)震區(qū)，如何最大限度減輕地震災(zāi)害所造成的經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡和社會(huì)負(fù)面影響是值得關(guān)注的。本文從結(jié)構(gòu)體系的分析和兩階段設(shè)計(jì)方法兩個(gè)方向?qū)Y(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行評(píng)估。

5.1 結(jié)構(gòu)體系的分析

關(guān)于剪力墻結(jié)構(gòu)的基本組成，《高規(guī)》7.1.1條明確規(guī)定“剪力墻平面布置宜簡單、規(guī)則，宜沿兩個(gè)主軸方向或其他方向雙向布置，兩個(gè)方向的側(cè)向剛度不宜相差過大?？拐鹪O(shè)計(jì)時(shí)，不應(yīng)采用僅有單向有墻的結(jié)構(gòu)布置?！蔽墨I(xiàn)［7］中描述，可以通過高低階的振動(dòng)頻率判斷結(jié)構(gòu)的變形特征，判別其結(jié)構(gòu)體系。彎曲變形的高階頻率比一般為 1∶4∶9，剪切變形的高階頻率比一般為 1∶2∶3。

由于剪力墻結(jié)構(gòu)的變形主要以彎曲變形為主，故關(guān)注兩個(gè)主軸方向的高階頻率比值是否滿足上述比值，即可判別結(jié)構(gòu)體系是否合理。圖4為9號(hào)樓小震作用的位移角曲線。表1為前9 個(gè)振型下的結(jié)構(gòu)周期及振型方向。

圖4 小震最大層間位移角簡圖Fig.4 Diagram of Maximum Inter-layer Displacement Angle of Small Earthquake

表1 結(jié)構(gòu)周期及振型方向Tab.1 The Period and Mode Direction of the Structure

由表1可得，X方向高階頻率比值為 1∶3.21∶5.88；Y 方向高階頻率比值為1∶4.27∶9.27。故可得出結(jié)論：Y方向?qū)儆凇陡咭?guī)》中剪力墻范疇，而X 方向不屬于剪力墻的范疇。從本質(zhì)上來說，X 方向?qū)儆趩畏较蛏賶Y(jié)構(gòu)［8］。需對(duì) X 方向的墻肢進(jìn)行加強(qiáng)。文獻(xiàn)［9］提供了處理及加強(qiáng)的方法，主要措施如下：⑴在少墻方向的單向地震作用下，使少墻方向的剪力墻承擔(dān)該方向全部樓層剪力墻所承擔(dān)剪力；⑵設(shè)計(jì)使端柱翼墻框架柱承擔(dān)不小于20%樓層剪力。具體處理方法本文不再贅述。

5.2 大震彈塑性位移角

采用中國建筑科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件PUSH&EDPA 進(jìn)行罕遇地震作用下靜力彈塑性分析（即Pushover），復(fù)核罕遇地震作用下的位移角是否滿足規(guī)范限值1/120 的要求。圖5為結(jié)構(gòu)層間位移角分析結(jié)果，X 方向?qū)娱g位移角最大值為1/180，Y 向?yàn)?/166，均小于規(guī)范限值。

圖5 大震最大層間位移角簡圖Fig.5 Diagram of Maximum Inter-layer Displacement Angle of Large Earthquake

6 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

目前針對(duì)高烈度區(qū)的高層建筑經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)數(shù)據(jù)比較少，文獻(xiàn)［10］中僅給出了多層結(jié)構(gòu)的混凝土及鋼筋含量數(shù)據(jù)。為了給其他類似高層項(xiàng)目提供參考，本項(xiàng)目對(duì)鋼筋及混凝土用量做了統(tǒng)計(jì)，鋼筋含量約為60 kg/m2，混凝土用量約為0.40 m3/m2。若建筑專業(yè)在滿足功能的前提下，能減小一部分凸窗尺寸，增加周邊剪力墻翼緣的長度，同時(shí)謹(jǐn)慎采用提高豎向分布筋配筋率時(shí)，鋼筋含量可以控制在55～60 kg/m2范圍內(nèi)。

7 結(jié)語

本項(xiàng)目屬于高烈度區(qū)高層住宅建筑。該項(xiàng)目具有地震力大，單向少墻的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。針對(duì)該工程特點(diǎn)，總結(jié)如下：

⑴對(duì)待高烈度項(xiàng)目，要精細(xì)化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)布置要合理。針對(duì)設(shè)計(jì)過程出現(xiàn)的不同問題，有針對(duì)性地采取措施。同時(shí)對(duì)薄弱環(huán)節(jié)采取多手段分析進(jìn)行加強(qiáng)；

⑵采用兩階段設(shè)計(jì)方法，進(jìn)一步評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全性；

⑶提供了該項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)核算數(shù)據(jù)，給類似項(xiàng)目提供參考。

⑷在設(shè)防烈度8 度（0.3 g），場(chǎng)地類別Ⅲ類地區(qū)，建筑物的高度若超過18F，可以考慮隔震技術(shù)。