宏達(dá)商城8#樓超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計

【摘要】宏達(dá)商城8#樓為高99.6米的超限高層建筑，采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，本文主要針對其超限內(nèi)容和工程特點(diǎn)介紹其設(shè)計思路及設(shè)計方法，并根據(jù)結(jié)構(gòu)模型計算分析結(jié)果對工程的薄弱部位及關(guān)鍵部位采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施，達(dá)到抗震性能設(shè)計要求。

【關(guān)鍵詞】超高層建筑;鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計

1、工程概況

宏達(dá)商城項(xiàng)目位于?？谑薪饓?，包括住宅、辦公、商業(yè)服務(wù)配套。一期項(xiàng)目含8棟高層住宅和8#、9#兩棟辦公樓及地下車庫。本文僅以8#樓為例詳細(xì)介紹，該單體建筑面積為25159平米，建筑高度99.6米，地上19層，采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，地下一層為車庫及設(shè)備用房，為框架結(jié)構(gòu)。首層為架空層，層高為5.7m，其余層為標(biāo)準(zhǔn)層，層高5.2m，建筑效果圖如圖1所示。

工程按照國家規(guī)范和海南省現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程設(shè)計，抗震設(shè)防烈度為8 度，基本地震加速度為0.3g，建筑場地類別為Ⅱ類，設(shè)計地震分組為第二組，特征周期為0.40s，抗震設(shè)防類別為丙類。建筑高度屬于B級高層建筑; 取50年一遇基本風(fēng)壓0.75kN/m2用于層間變形、1.1x0.75=0.825用于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算，地面粗糙度取B類; 結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50 年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級。

2、基礎(chǔ)設(shè)計

基礎(chǔ)設(shè)計依據(jù)地質(zhì)勘察報告及上部結(jié)構(gòu)荷載，場地土層分布如下：①層素填土、②層細(xì)砂、③層粗砂、④層粉質(zhì)黏土、⑤層強(qiáng)風(fēng)化玄武巖、⑥層中風(fēng)化玄武巖、⑦層粉質(zhì)黏土、⑧層強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r、⑨層中風(fēng)化凝灰?guī)r，飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=7.61MPa。8#主樓下采用1800m厚平板式樁筏基礎(chǔ)，選用直徑為800mm的沖孔灌注樁，樁長平均15m，單樁抗壓承載力特征值為2600kN，樁端持力層?、釋又酗L(fēng)化凝灰?guī)r層，樁端進(jìn)入持力層不少于3.2m; 由于場地地下水位較高，車庫部分有局部抗浮穩(wěn)定問題，故車庫部分地下室基礎(chǔ)采用樁承臺+防水板基礎(chǔ)，選用直徑為800mm的沖孔灌注樁作抗拔樁，抗拔承載力特征值為350kN，樁端持力層及入巖深度與主樓相同。本工程主樓與車庫地下室連為一個整體，不設(shè)沉降縫和溫度縫，設(shè)計中每隔30～40m設(shè)800mm寬的溫度后澆帶，底板和頂板鋼筋雙層雙向拉通，并按細(xì)而密的原則增強(qiáng)配筋。

3、結(jié)構(gòu)布置及超限情況

本工程結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖2所示，主要抗側(cè)力構(gòu)件為框架柱和剪力墻，依據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010，剪力墻抗震等級為特一級，框架抗震等級為一級，樓蓋體系采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板體系，嵌固端為地下室頂板，標(biāo)準(zhǔn)層板厚100～130mm，墻體、柱混凝土強(qiáng)度等級為C40～C55，梁、板混凝土均采用 C35，4層以下剪力墻墻厚為500～650、柱截面為110x900，4層以上剪力墻厚度為450～250 mm、柱截面為900x850～850x750，沿豎向高度逐段遞減。

依據(jù)《海南省超限高層建筑抗震設(shè)計要點(diǎn)》的要求，結(jié)構(gòu)超限情況為以下兩點(diǎn)：

（1） 本工程建筑高度為99.6米，超出規(guī)范8度（0.30g）框架-剪力墻結(jié)構(gòu)A級高度限值，為B級高度。

（2） 扭轉(zhuǎn)不規(guī)則：在地震力作用下，考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于 1.2。

4、結(jié)構(gòu)計算與分析

4.1抗震性能目標(biāo)

針對結(jié)構(gòu)的超限情況，綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場地條件、結(jié)構(gòu)的特殊性、造價等因素后，設(shè)定結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)如下表1，對應(yīng)性能水準(zhǔn)參《高規(guī)》第3.11節(jié)抗震性能目標(biāo)D的規(guī)定。

4.2小震及風(fēng)荷載作用下彈性計算

彈性分析選用YJK軟件（簡化墻元模型）和 ETABS 軟件（細(xì)分墻元模型）進(jìn)行計算，考慮偶然偏心、雙向地震作用、扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)以及施工模擬加載的影響。計算參數(shù)依據(jù)規(guī)范取值，主要計算結(jié)果如下：YJK計算的周期T1=2.336、T2=2.243、T3=1.909、Tt/T1=0.82;ETABS計算的周期T1=2.347、T2=2.179、T3=1.911、Tt/T1=0.81;YJK計算的最大層間位移角X向風(fēng)工況下為1/5767、Y向風(fēng)工況下為1/1997、X向地震工況下為1/872、Y向地震工況下為1/748;ETABS計算的最大層間位移角X向風(fēng)工況下為1/5556、Y向風(fēng)工況下為1/2101、X向地震工況下為1/814、Y向地震工況下為1/736。以上指標(biāo)兩個軟件計算結(jié)果比較接近，相差較少。

YJK計算X向樓層層間位移的最大值與平均值的比值為1.04，Y向樓層層間位移的最大值與平均值的比值為1.33，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。

各項(xiàng)計算結(jié)果表明， 計算指標(biāo)滿足相關(guān)規(guī)范要求，截面取值合理，結(jié)構(gòu)體系選擇恰當(dāng)。

4.3? 0.2V0? 調(diào)整

根據(jù)《高規(guī)》第8.1.4條規(guī)定，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)各層框架所承擔(dān)的地震總剪力不應(yīng)小于0.20V0和1.5Vf，max的較小者，以保證作為第2道防線的框架具有一定的抗側(cè)力能力。

計算結(jié)果顯示：在規(guī)定的水平力作用下結(jié)構(gòu)底層框架部分承受的地震傾覆彎矩為26.8%（X向）和12.5%（Y向），符合《高規(guī)》第8.1.3 條中按框架-剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計的條件，可按框架-剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，并且按 8.1.4 條進(jìn)行框架地震剪力調(diào)整。

4.4 小震彈性時程分析

根據(jù)《抗規(guī)》5.1.2 條表規(guī)定，采用YJK程序進(jìn)行了多遇地震作用下的彈性時程分析。按照地震動三要素（頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時間）的要求，選取了5 組天然波和 2 組人工波進(jìn)行彈性時程分析，在進(jìn)行時程分析時，主方向與次方向加速度最大值的比例為1.00∶0.85。計算結(jié)果顯示，7組時程曲線的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符（ 地震影響系數(shù)在主要振型的周期點(diǎn)上相差不大于20% ）。計算結(jié)果見表2及圖3。

如表5所示：7條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80%，每條地震波底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的65%，計算結(jié)果取時程分析法的平均值和振型分解反應(yīng)譜法的較大值。

4.5 中震不屈服、大震滿足受剪截面控制要求

中震和大震計算采用SATWE軟件進(jìn)行計算，按照選定的性能目標(biāo) D，對關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行中震不屈服、大震滿足受剪截面控制要求（在前期方案階段大震采用了等效彈性模型）。

按中震不屈服計算得出的組合內(nèi)力比按小震組合大，中震不屈服計算得出的配筋也大于小震組合，本工程底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻、柱按中震組合進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計，構(gòu)件均可以滿足中震不屈服的性能目標(biāo)。

大震作用下，底部X向剪力為110.3MN，與小震CQC的比值為3.46，剪重比1.6%;Y 向剪力為125.3MN，與小震CQC的比值為3.81，剪重比1.8%;X、Y向最大層間位移角分別為1/111和1/116，小于規(guī)范限值1/100。在大震情況下，底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻和框架柱的抗剪計算配筋均在可實(shí)施范圍，可以實(shí)現(xiàn)大震滿足受剪截面的性能目標(biāo)。

5、針對薄弱部分所采取的加強(qiáng)措施

根據(jù)工程超限情況及其特點(diǎn)，采取以下加強(qiáng)措施：

5.1 剪力墻是辦公樓的主要抗側(cè)力構(gòu)件，須采取措施提高剪力墻的延性，使抗側(cè)剛度與整體結(jié)構(gòu)延性更好的匹配，以達(dá)到框架和剪力墻有效地協(xié)同抗震。

針對剪力墻的具體措施有：①底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻抗震等級提高到特一級，按中震不屈服、大震滿足受剪截面的性能目標(biāo)D進(jìn)行設(shè)計;②底部加強(qiáng)區(qū)抗震特一級墻身的水平和豎向分布鋼筋最小配筋率按0.4%，約束邊緣構(gòu)件豎向筋最小配筋率為1.4%，配箍特征值提高20%;③中震墻肢平均拉應(yīng)力驗(yàn)算按照《海南省超限高層建筑抗震設(shè)計要點(diǎn)》執(zhí)行;④本項(xiàng)目底部樓層因墻肢截面高厚比小于4，部分短墻肢指定成框架柱進(jìn)行了補(bǔ)充計算，實(shí)際配筋采用墻模型和柱模型包絡(luò)設(shè)計。

5.2 針對X向剪力墻較少，采用了加大X向外框梁截面，提高外框架承擔(dān)的地震剪力，底部框架柱采用延性較好的混凝土柱，部分柱采用了型鋼混凝土柱，柱軸壓比最大為0.65。

5.3 針對Y向缺少耗能機(jī)制的不足，采取了在剪力墻中開洞的耗能措施。

結(jié)論：

本項(xiàng)目在設(shè)計中采用概念設(shè)計方法，根據(jù)抗震設(shè)計原則及建筑特點(diǎn)，首先對整體結(jié)構(gòu)體系及布置進(jìn)行了仔細(xì)的分析并作優(yōu)化，使其具有良好的結(jié)構(gòu)抗震性能。計算結(jié)果表明，多項(xiàng)計算指標(biāo)均表現(xiàn)較為良好，滿足相關(guān)規(guī)范要求，使不規(guī)則程度得到有效控制，同時又通過概念設(shè)計及各階段的計算分析對關(guān)鍵和重要構(gòu)件進(jìn)行了適當(dāng)加強(qiáng)，并在構(gòu)造措施方面也相應(yīng)作了處理。

本工程除能滿足豎向荷載和風(fēng)荷載作用下的有關(guān)各項(xiàng)指標(biāo)外，結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)達(dá)到D級，因此我們認(rèn)為結(jié)構(gòu)選型合理、安全、可行。

作者簡介：

馬月（1973年），女，海南省海口市人，高級工程師，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，主要從事建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。