大高寬比剪力墻結(jié)構(gòu)超高層建筑結(jié)構(gòu)分析

裴學(xué)軍（昆明恒基建設(shè)工程施工圖審查中心 云南 昆明 650000）

葉川（重慶大學(xué)建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)總院有限公司 重慶 400045）

關(guān)鍵字：大高寬比；剪力墻結(jié)構(gòu)；超高層；結(jié)構(gòu)分析；回轉(zhuǎn)半徑；墻肢名義拉應(yīng)力

0 引言

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》）第3.3.2 條要求鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)的高寬比不宜超過(guò)表3.3.2 的規(guī)定[1]，在條文說(shuō)明中對(duì)適用情況又做了如下規(guī)定：在結(jié)構(gòu)承載力、穩(wěn)定、抗傾覆、變形和舒適度等基本滿足規(guī)范要求的情況下，對(duì)滿足高寬比限值要求采用的是“宜”，而不是“應(yīng)”。此外，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部建質(zhì)[2015]67 號(hào)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》中要求：高寬比較大時(shí)，應(yīng)注意復(fù)核地震下地基基礎(chǔ)的承載力和穩(wěn)定。本文應(yīng)此要求對(duì)某大高寬比剪力墻結(jié)構(gòu)超高層建筑進(jìn)行了抗震性能分析，對(duì)此類結(jié)構(gòu)提出一些控制性要求。

1 工程概況

該工程地下2 層，地上39 層，平面近似“L”字形，總長(zhǎng)度40.80m，最窄處寬度為10.10m，最寬處寬度為24.85m，大屋面標(biāo)高116.7m，為超高層住宅樓?？拐鹪O(shè)防烈度為8 度（0.2g）第三組，抗震設(shè)防類別為丙類，Ⅲ類建筑場(chǎng)地類別，設(shè)計(jì)特征周期為0.65s，剪力墻抗震等級(jí)為一級(jí)。墻柱混 凝 土 等 級(jí) C60 ～C40， 鋼 筋 采 用 HRB400、HRB500，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50 年。標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面詳見(jiàn)圖1。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖

2 高寬比

該工程平面近似“L”字形，結(jié)構(gòu)的寬度如何取值？如按所考慮方向的最小寬度（10.1m）取值，由于建筑L 型內(nèi)平面布置呈鋸齒狀，沿縱向的長(zhǎng)寬比不唯一，不能完全體現(xiàn)與剛度關(guān)聯(lián)的原則。根據(jù)《高規(guī)》JGJ 3-2010 第3.3.2 條條文說(shuō)明，“對(duì)于不宜采用最小寬度計(jì)算高寬比的情況，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定合理的計(jì)算方法”；此外，王亞勇先生在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范疑問(wèn)解答》中也講了對(duì)最小寬度的理解。“結(jié)構(gòu)平面寬度可按該平面各水平方向的最小投影寬度計(jì)算，如L 形平面的水平方向最小投影寬度指相應(yīng)直角三角形斜邊的高度”；根據(jù)廣東省標(biāo)準(zhǔn)DBJ 15-92-2013《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》介紹的計(jì)算高寬比的方法：當(dāng)建筑平面為非矩形時(shí)，結(jié)構(gòu)的寬度可取平面的等效寬度（B），即B=3.5r，其中r 為建筑平面最小回轉(zhuǎn)半徑。引入回轉(zhuǎn)半徑，體現(xiàn)了等效寬度與結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的關(guān)聯(lián)性，是計(jì)算復(fù)雜平面結(jié)構(gòu)高寬比較合理的計(jì)算方法。本工程按3.5 回轉(zhuǎn)半徑計(jì)算等效高寬比為6.20.

3 超限情況

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》（建質(zhì)[2015]67 號(hào)）規(guī)定，該工程屬于高度超限，需進(jìn)行抗震專項(xiàng)審查，超限情況如下：

（1）建筑總高度116.7m，超過(guò)A 級(jí)高度高層建筑最大高度100m；

（2）根據(jù)YJK 計(jì)算結(jié)果，考慮偶然偏心規(guī)定水平力作用下Y 方向最大位移與層平均位移的比值為1.27，大于1.20，根據(jù)《高規(guī)》3.4.5 條，不規(guī)則項(xiàng)為平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；

（3）高寬比6.20，超過(guò)《高規(guī)》表3.3.2 中的限值要求。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)的三水準(zhǔn)原則確定抗震性能目標(biāo)，小震作用下進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體彈性計(jì)算、彈性時(shí)程分析補(bǔ)充計(jì)算，中震進(jìn)行結(jié)構(gòu)不屈服和彈性計(jì)算。上部結(jié)構(gòu)嵌固端為地下室頂板，嵌固剛度比滿足規(guī)范要求。

4.1 小震作用分析

采用YJK（1.9.3 版）軟件進(jìn)行計(jì)算分析，用PMSAP程序進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)構(gòu)形式為剪力墻結(jié)構(gòu)，考慮偶然偏心地震作用、扭轉(zhuǎn)偶聯(lián)，結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度采用設(shè)計(jì)值，荷載、地震作用及風(fēng)荷載計(jì)入分項(xiàng)系數(shù)，結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明，主要計(jì)算指標(biāo)均滿足規(guī)范、規(guī)程要求，滿足小震下的性能目標(biāo)，結(jié)構(gòu)體系選擇恰當(dāng)。

4.2 中震作用分析

采用中震不屈服計(jì)算。程序計(jì)算中活荷載組合系數(shù)取0.50，周期折減計(jì)算取1.0，連梁剛度折減系數(shù)取0.4，不考慮內(nèi)力調(diào)整系數(shù)和抗震承載力調(diào)整系數(shù)、荷載和地震作用分項(xiàng)系數(shù)，材料強(qiáng)度采用標(biāo)準(zhǔn)值。

4.2.1 結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定和抗傾覆驗(yàn)算

計(jì)算資料顯示X、Y 向剛重比分別為8.68、5.96，大于1.4，能夠通過(guò)《高規(guī)》5.4.4 條的整體穩(wěn)定驗(yàn)算，大于2.7，滿足《高規(guī)》5.4.1 條，可不考慮重力二階效應(yīng)。

抗傾覆驗(yàn)算：X、Y 抗傾覆力矩分別為1.417x107、6.894x106kNm，傾覆力矩分別為4.948 x106、4.495 x106kNm，基底零應(yīng)力區(qū)面積比分別為2.3%、47.8%，Y 向不滿足《高規(guī)》12.1.7 條的規(guī)定。設(shè)計(jì)將地下室輸入計(jì)算模型并將基礎(chǔ)平面范圍自主體向外擴(kuò)2～3 跨，適當(dāng)增加塔樓周邊的構(gòu)造剪力墻的數(shù)量，基底未出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2.2 墻肢受拉情況

鋼筋混凝土剪力墻出現(xiàn)偏小受拉時(shí)，如果混凝土出現(xiàn)開(kāi)裂會(huì)降低剪力墻抗剪承載力，使抗側(cè)剛度退化，對(duì)結(jié)構(gòu)不利。讀取YJK 軟件中震作用下墻肢各工況標(biāo)注內(nèi)力，統(tǒng)計(jì)1.0 恒+0.5 活+1.0E中震作用下墻肢受拉情況分別為：

（1）X 向地震作用下，剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)Y、W 等軸線上的橫墻墻肢受拉，其余層均受壓；

（2） Y 向地震作用下，剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)1、4、33 等軸線上的縱墻墻肢受拉，地上4～7 層部分縱墻墻肢受拉，其余層均受壓；

（3）地震作用下墻肢拉力自下至上逐層減小。

根據(jù)計(jì)算統(tǒng)計(jì)，墻肢在地震作用下底部墻肢最大拉力為10 538kN，墻肢全截面由軸向力產(chǎn)生的平均名義拉應(yīng)力為5.26N/mm2，超過(guò)C60 混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，根據(jù)云南省建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)委員會(huì)的意見(jiàn)，中震下的墻肢名義拉應(yīng)力處于1～2倍ftk，應(yīng)由型鋼承擔(dān)全部拉應(yīng)力；墻肢名義拉應(yīng)力大于2 倍并小于2.5 倍ftk 時(shí)，保證含鋼率不小于4%；墻肢名義拉應(yīng)力大于2.5 倍并小于3 倍ftk 時(shí)，保證含鋼率不小于5%。設(shè)置型鋼可按彈性模量換算考慮型鋼和鋼板的作用。

式中：N地為地震作用拉力；N恒為恒載產(chǎn)生拉力；N活為活載拉力；ftk為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；fy 為型鋼抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；A混凝土為剪力墻墻肢截面面積；E型鋼為型鋼的彈性模量；E混凝土為混凝土的彈性模量。

采取加強(qiáng)措施后，中震作用下剪力墻抗拉和抗裂性能增強(qiáng)，開(kāi)裂有限，可滿足中震輕微損壞的抗震性能目標(biāo)。對(duì)個(gè)別超筋連梁采取增設(shè)H 型鋼暗梁的措施以提高其抗剪承載力；對(duì)跨高比不小于2.5 的連梁，則采用設(shè)置交叉斜筋，適當(dāng)提高其延性，保證中震抗剪不屈服性能。

5 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題和設(shè)計(jì)措施

該工程高寬比超出了高規(guī)的規(guī)定，在這種體型復(fù)雜的高層建筑中，除高寬比的計(jì)算根據(jù)實(shí)際情況采取符合實(shí)際的計(jì)算方法，優(yōu)化剪力墻的布置外，還采取以下措施：

（1）控制結(jié)構(gòu)規(guī)則性；

（2） 嚴(yán)格控制剪力墻軸壓比，剪力墻軸壓比均不超過(guò)0.5；

（3）嚴(yán)格按照《高規(guī)》7.2.14-3 及7.2.15～16 條有關(guān)B 級(jí)高度過(guò)渡層及邊緣構(gòu)件的配箍和配筋率的有關(guān)要求進(jìn)行加強(qiáng)。對(duì)構(gòu)造邊緣構(gòu)件縱向配筋率，過(guò)渡層提高為1.0%，配箍特征值按約束邊緣構(gòu)件的80%控制，其余位置按“高規(guī)”構(gòu)造配筋；

（4） 底部加強(qiáng)區(qū)豎向構(gòu)件為結(jié)構(gòu)重要構(gòu)件，為了保證結(jié)構(gòu)有更好的延性，底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻在中震下出現(xiàn)偏拉時(shí)，按整墻全截面驗(yàn)算后名義拉應(yīng)力大于1.0ftk 時(shí)內(nèi)設(shè)置型鋼，型鋼下延至夾層，且含鋼率按4%控制；

（5） 抗傾覆穩(wěn)定問(wèn)題采取計(jì)算時(shí)考慮主樓地下室的相關(guān)范圍，范圍為主樓外兩跨，樁基滿足承載力設(shè)計(jì)要求，不出現(xiàn)上拔力。

6 結(jié)語(yǔ)

該項(xiàng)目為超高層住宅樓，抗震設(shè)防烈度為8度（0.2g）第三組，且為高寬比超限的B 級(jí)高度超高層建筑。但經(jīng)過(guò)精心的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如：一些合理的結(jié)構(gòu)布置、準(zhǔn)確和完整的參數(shù)選取和結(jié)構(gòu)計(jì)算及驗(yàn)算、多程序的計(jì)算比對(duì)分析、采取了一系列必要的抗震構(gòu)造加強(qiáng)措施，特別是對(duì)底部加強(qiáng)區(qū)等結(jié)構(gòu)重點(diǎn)部位進(jìn)行加強(qiáng)處理，不僅滿足了建筑的使用要求，也使結(jié)構(gòu)安全得到了保證。

綜上所述，類似“超限”工程設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1） 對(duì)大高寬比剪力墻超高層建筑而言，除了需要滿足小震作用下的抗傾覆穩(wěn)定要求外，還需要考慮中震、大震作用下的抗傾覆穩(wěn)定要求，需進(jìn)行相關(guān)的驗(yàn)算。避免在小震、中震作用下基底出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)；

（2） 控制墻肢在地震作用下的拉應(yīng)力，根據(jù)墻肢名義拉應(yīng)力的大小采取不同的措施，控制墻肢受拉區(qū)最大拉應(yīng)力，以滿足中震輕微損壞的性能目標(biāo)；

（3） 對(duì)于墻肢受拉效應(yīng)明顯的外縱向墻肢，建議選用型鋼-混凝土組合構(gòu)件；

（4） 值得注意的是：雖然大高寬比剪力墻超高層建筑通過(guò)采取抗震性能設(shè)計(jì)和相應(yīng)加強(qiáng)措施后，可滿足結(jié)構(gòu)安全度要求，但宜考慮工程造價(jià)的合理性。