重慶某超限高層剪力墻結(jié)構(gòu)抗震分析與設(shè)計(jì)

【摘 要】重慶某超限高層工程均為剪力墻結(jié)構(gòu)，其中2#樓建筑高度為153.6 m，屬于超B級高度現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻體系。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)小震、中震、大震下的彈性時程和彈塑性時程分析結(jié)果，對結(jié)構(gòu)體系、剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)、樓板等采取抗震加強(qiáng)措施。

【關(guān)鍵詞】超限高層; 剪力墻結(jié)構(gòu); 彈性時程; 彈塑性時程分析

【中圖分類號】TU352.11 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

1 工程概況

該項(xiàng)目位于重慶市江北區(qū)，由7棟46F～30F/-3F及2F～4F商業(yè)裙樓建筑物組成，總建筑面積約310 000 m2。其中，1#、2#、6#、7#樓為超高層住宅，采用剪力墻結(jié)構(gòu);1#、2#、6#樓地上46層，地下3層;7#樓地上40層，地下3層;地下車庫為地下3層，采用框架結(jié)構(gòu)。地下車庫層高負(fù)一層為3.8 m，負(fù)二層和負(fù)三層為3.75 m。本文僅以2#樓為例介紹其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，圖1為建筑效果圖，圖2為剖面圖，圖3為結(jié)構(gòu)三維模型圖。

2 結(jié)構(gòu)形式

2#樓采用鋼筋混凝土剪力墻體系，設(shè)計(jì)使用年限為50 a，結(jié)構(gòu)總高度為153.6 m，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，抗震設(shè)防烈度為6度，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類），設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場類別為Ⅲ類，地面粗糙度為C類，50 a重現(xiàn)期基本風(fēng)壓取為0.44 kN/m2，結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖4所示。

3 結(jié)構(gòu)超限分析

3.1 結(jié)構(gòu)超限判定

2#為剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)高度為153.6 m，設(shè)計(jì)基本加速度值為0.05g，場地特征周期為0.45 S， 根據(jù)JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》以下簡稱《高規(guī)》以及重慶相關(guān)規(guī)范判定屬于超B級高度建筑，高度已經(jīng)超限，此外樓板還存在大開洞，造成樓板不連續(xù);并且還產(chǎn)生了局部不規(guī)則，個別樓層扭轉(zhuǎn)位移比略大于1.2，都對結(jié)構(gòu)的抗震性能有不利的影響。

3.2 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

本工程存在多處超限，除按照規(guī)范規(guī)定的要求及目標(biāo)進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于性能的抗震設(shè)計(jì)，提出性能水準(zhǔn)，即《高規(guī)》中規(guī)定的性能目標(biāo)D級，即要求小震下達(dá)到第1性能水準(zhǔn)，中震下達(dá)到第4性能水準(zhǔn)，大震下達(dá)到第5性能水準(zhǔn)。同時，為了更嚴(yán)格地保證關(guān)鍵部位的安全，將結(jié)構(gòu)中“關(guān)鍵構(gòu)件”的抗震性能目標(biāo)提升為C級，如表1所示。

4 結(jié)構(gòu)分析

4.1 小震分析

依據(jù)《高規(guī)》的要求，本工程進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時需要采用兩種不同力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)分析軟件，并應(yīng)添加彈性時程分析。因此，本工程采用了YJK（V2016）和ETABS（V9.7.4）兩個軟件分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體彈性計(jì)算和時程分析。

4.1.1 彈性分析

YJK和ERABS彈性計(jì)算結(jié)果如表2、表3所示。

由YJK和ETABS的計(jì)算結(jié)果分析表明，兩個軟件計(jì)算出的結(jié)構(gòu)響應(yīng)基本一致，進(jìn)一步對比驗(yàn)證了所建模型的正確性。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)滿足規(guī)范中關(guān)于周期比的要求;即最大層間位移角均未超過1/1000的限值，結(jié)果滿足規(guī)范要求。

4.1.2 彈性時程分析

根據(jù)《高規(guī)》規(guī)定，在多遇地震下對結(jié)構(gòu)應(yīng)添加時程分析法的計(jì)算。本工程將考慮雙向地震輸入，地震輸入點(diǎn)在模型與基礎(chǔ)承臺面的節(jié)點(diǎn)處，地震方向?qū)⒀啬Ｐ偷谝缓偷诙B(tài)變形方向即X、Y向。選取了6條天然波及2條人工波進(jìn)行計(jì)算，對選用的地震記錄加速度峰值進(jìn)行調(diào)幅，使峰值加速度等于多遇地震加速度峰值0.207 m/s2。時程分析的底部剪力與反應(yīng)譜剪力如表4所示。

由各層的地震剪力分析結(jié)果可得：本工程時程法層間位移、層間位移角及樓層剪力等指標(biāo)的變化規(guī)律與反應(yīng)譜法基本一致，地震作用效應(yīng)取反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果與時程法計(jì)算結(jié)果平均值中的較大值，后期設(shè)計(jì)需放大樓層的地震層剪力。

4.2 中震分析

本工程為了達(dá)到D級性能目標(biāo)及相應(yīng)的抗震性能水準(zhǔn)，需要加強(qiáng)關(guān)鍵構(gòu)件（如底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻等構(gòu)件）的抗震性能，根據(jù)超限的情況，應(yīng)對關(guān)鍵構(gòu)件的穩(wěn)定性和承載能力提出更高要求（C級），以提高其抗震性能。因此，以中震不屈服的目標(biāo)采用YJK進(jìn)行計(jì)算，來判斷在中震作用下關(guān)鍵部位、構(gòu)件不發(fā)生屈服（表5）。結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05，地震影響系數(shù)最大值為0.12，連梁折減系數(shù)為0.6。

樓層位移計(jì)算結(jié)果由表5可知，最大層間位移角小于GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對中震下抗震性能水準(zhǔn)4的位移角限值。因樓板存在開洞，根據(jù)規(guī)范的要求，為避免應(yīng)力集中，能可靠的傳遞水平地震力，對中震作用下的樓板應(yīng)力用計(jì)算軟件YJK分析，主要的樓板應(yīng)力云圖如圖5、圖6所示。

中震作用時，結(jié)構(gòu)的樓板最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在X向地震工況及Y向地震工況下第2層，為4.8 MPa;本工程樓板混凝土強(qiáng)度均為C30，而C30混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為20.1 MPa。結(jié)構(gòu)所有樓層樓板的壓應(yīng)力均小于樓板混凝土的抗壓強(qiáng)度，但在樓板開洞周邊以及收進(jìn)部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，宜適當(dāng)提高板配筋率。

4.3大震分析

根據(jù)規(guī)范需驗(yàn)算在罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)彈塑性變形;采用SAUSAGE動力時程分析方法。采用SAUSAGE程序進(jìn)行動力時程彈塑性分析的計(jì)算模型與SATWE分析模型基本一致。并且選取了兩條天然波和一條人工波分別以X為主方向、Y為主方向進(jìn)行了雙向地震動輸入的大震彈塑性時程分析。大震彈塑性分析的主要指標(biāo)如表6所示，豎向構(gòu)件（剪力墻）的損傷如圖7所示。

在罕遇地震作用下，分析結(jié)構(gòu)彈塑性結(jié)果可知：

（1）整棟樓的最大層間位移角與各層層間位移角均滿足規(guī)范要求，絕大部分樓層層間位移角比較均勻，除了局部變化的樓層有突變。總體來說Y向的層間位移角與X向基本相當(dāng)，主體結(jié)構(gòu)及相關(guān)范圍裙房各層間位移角滿足規(guī)范1/120的限值與規(guī)范1/50的限值。

（2）豎向構(gòu)件混凝土受拉損傷主要集中在1、2、3層的墻的底部和主體結(jié)構(gòu)的連梁;受壓損傷主要集中在底部幾層的的墻肢處，且主要處于輕微損壞或輕度損壞狀態(tài)，滿足規(guī)范中對豎向構(gòu)件的性能水準(zhǔn)要求。

5 針對結(jié)構(gòu)超限設(shè)計(jì)建議

（1）結(jié)構(gòu)體系的加強(qiáng)。加強(qiáng)1層中連接塔樓與底盤的梁配筋，保證其在中、大震中的性能水準(zhǔn);

（2）針對扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的建議?？紤]雙向地震作用及偶然偏心進(jìn)行計(jì)算;底部結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)位移比較大的情況，對此設(shè)計(jì)時采取如下措施：（1）找到裙房中的產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)位移較大的柱，確定其為關(guān)鍵構(gòu)件，并按正截面中震不屈服復(fù)核抗彎設(shè)計(jì)和斜截面中震彈性復(fù)核抗剪設(shè)計(jì);（2）加大其四周梁的截面并加強(qiáng)配筋，來提高外圍構(gòu)件的剛度和強(qiáng)度，以此可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗扭性能。

（3）對剪力墻的加強(qiáng)。通過對底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻中震、大震作用下截面承載力的驗(yàn)算結(jié)果，對底部部分剪力墻宜適當(dāng)增大其截面厚度及加強(qiáng)其配筋，以滿足其在大震下的正截面要求。

（4）對樓板的加強(qiáng)。當(dāng)樓層內(nèi)開洞面積過大時，需要考慮由于樓板面內(nèi)變形所產(chǎn)生的不利結(jié)果，此時可按彈性膜來進(jìn)行計(jì)算，并在中震作用下進(jìn)行樓板的應(yīng)力分析，由此得出板的配筋圖，并在局部部位加強(qiáng)鋼筋數(shù)量，并且加強(qiáng)樓板開洞面積較大樓層及相鄰上層的樓板配筋。

（5）其他針對性的加強(qiáng)措施。對于地下室結(jié)構(gòu)，設(shè)置后澆帶或膨脹加強(qiáng)帶的方法解決混凝土的干縮應(yīng)力和早期溫度變形，適當(dāng)提高混凝土水平構(gòu)件受力及貫通鋼筋的用量，并配置構(gòu)造抗裂鋼筋，并考慮適當(dāng)添加混凝土微膨脹劑等輔助措施，以改善混凝土抗裂性能?；炷了綐?gòu)件受力及貫通鋼筋的用量，并配置構(gòu)造抗裂鋼筋，并考慮適當(dāng)添加混凝土微膨脹劑等輔助措施，以改善混凝土抗裂性能。

6 結(jié)論

本工程根據(jù)結(jié)構(gòu)超限程度及特殊問題進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)和抗震性能化設(shè)計(jì)，對于小震進(jìn)行了彈性和彈性時程分析，也對中震、大震作用下的結(jié)構(gòu)相應(yīng)進(jìn)行了分析，不僅對整體結(jié)構(gòu)的體系和布置進(jìn)行了加強(qiáng)，也對一些關(guān)鍵部位采取了抗震措施，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的抗震目標(biāo)，供相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供了參考。

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[定稿日期]2021-02-03

[作者簡介]陳植（1996～），男，碩士，從事結(jié)構(gòu)抗震研究。