高層住宅建筑結(jié)構(gòu)的抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)策略研究

劉璇，賈鴻遠(yuǎn)

（南京金宸建筑設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 南京 210019）

1 工程概況

本工程為住宅項(xiàng)目，擬建項(xiàng)目位于昆山市，項(xiàng)目總用地面積105566.0m2，本期用地面積17152.95m2,總建筑面積62059.42m2,地下建筑面積16026.54m2。本工程由2#、7#、12#、S3#配電房、地庫組成。2號樓為29層單元式住宅，7號樓為34層單元式住宅，12號樓為31層單元式住宅，S3#配電房（5.200m）為一層框架結(jié)構(gòu)，地下室共一層，地下一層為機(jī)動(dòng)車庫、非機(jī)動(dòng)車庫、設(shè)備用房。2#、7#、12#樓建筑最大高度為98.600m，是一個(gè)A級高度鋼筋混凝土高層剪力墻建筑。

2 工程地質(zhì)概況

（1）場地地形、地貌。擬建場地位于昆山市，隸屬長江三角洲太湖流域沖湖積相沉積平原，地貌形態(tài)單一，水系發(fā)育。場地原為昆山印染廠（已拆）、后經(jīng)覆土現(xiàn)場已無廠址蹤跡，西側(cè)現(xiàn)為大潤發(fā)超市，場地已基本回填整平。勘察期間測得各勘探孔孔口高程在2.06～3.40m之間（1985國家高程）。

（2）巖（土）層性質(zhì)及分布。經(jīng)勘探揭示，場地自然地面下最大勘探深度80.50m以淺的土體為第四紀(jì)更新世以來的沖湖積~湖海相碎屑沉積物。根據(jù)其巖性特征及其物理力學(xué)性質(zhì)的差異性，可劃分為8個(gè)工程地質(zhì)層，并細(xì)分為11個(gè)工程地質(zhì)亞層。

（3）天然地基承載力評價(jià)。根據(jù)各土層的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、原位測試指標(biāo)及物理指標(biāo)確定的各土層的承載力特征值以及根據(jù)以上結(jié)果并結(jié)合本地區(qū)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)綜合確定的承載力特征值fak見表1所示：

表1

3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案

本工程±0.00相當(dāng)于1985國家高程4.30m，抗浮設(shè)防水位可取昆山地區(qū)近期多年最高潛水水位標(biāo)高為1.80m或室外設(shè)計(jì)地坪標(biāo)高下0.5m中的最大值。本工程底板板底絕對標(biāo)高約-5.55m，位于③粉質(zhì)粘土夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土中，其承載力特征值fak=60kPa。2#、7#、12#樓采用樁基礎(chǔ)，樁采用φ700鉆孔灌注樁，以⑥2粉土夾粉砂層作為樁基礎(chǔ)持力層，根據(jù)前期試樁結(jié)果，單樁抗壓承載力特征值3700kN。地下車庫為地下一層，樁基承受上拔力，⑥1層粉土夾粉砂作為樁基礎(chǔ)持力層，選用預(yù)制方樁（400mm×400mm），混凝土強(qiáng)度等級C30，工程樁抗壓承載力按單樁抗壓承載力特征值1500KN設(shè)計(jì)，抗拔承載力按單樁抗拔承載力特征值400KN設(shè)計(jì)。

4 抗震性能分析與設(shè)計(jì)措施

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)的規(guī)定，需進(jìn)行結(jié)構(gòu)高度、一般不規(guī)則性、特別不規(guī)則抗震超限檢查。綜合三項(xiàng)超限檢查結(jié)果，本工程存在1項(xiàng)一般不規(guī)則性，無特別不規(guī)則，根據(jù)GB50010-2010第3.4.1條，屬于比較規(guī)則的A級高度不超限高層建筑。針對本工程，依據(jù)GB 50011-2010和JGJ 3-2010，主要采取如下分析與設(shè)計(jì)措施：

（1）參照GB 50011-2010第5.1.2條，采用時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算。采用時(shí)程分析法時(shí)，根據(jù)建筑場地類別選用2組實(shí)際強(qiáng)震記錄和1組人工模擬的加速度時(shí)程曲線，保證所選時(shí)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(jì)意義上相符；彈性時(shí)程分析時(shí)，每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，多條時(shí)程曲線計(jì)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(jì)算結(jié)果的80%。樓層地震剪力取時(shí)程計(jì)算所得最大值與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，保證各構(gòu)件滿足多遇地震彈性要求。

（2）采用PKPM軟件進(jìn)行罕遇地震靜力彈塑性時(shí)程分析，檢查構(gòu)件和整體結(jié)構(gòu)的損傷情況，對重要和薄弱部位提出加強(qiáng)措施；關(guān)鍵構(gòu)件平面布置與編號如圖1所示。

圖1

（3）科學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)抗震體系，設(shè)置多道抗震防線。在高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)科學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)抗震體系，應(yīng)當(dāng)將安全性放在首位，要保障高層住宅建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。為提高抗震體系設(shè)計(jì)水平，需基于高層住宅建筑所在區(qū)域的特征，以及該區(qū)域地震災(zāi)害的發(fā)生概率，來制定適宜的設(shè)計(jì)方案，與此同時(shí)還需要考慮經(jīng)濟(jì)性，盡量在預(yù)期成本資金投入范圍內(nèi)完成。如若條件允許，可以于高層住宅頂層中鋪設(shè)橡膠層，其能夠有效緩沖地震災(zāi)害引發(fā)的外部沖擊力，減輕高層住宅建筑所要面對的外力，使之承受力得到大大提升，取得較好的抗震效果，維護(hù)居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。要根據(jù)高層住宅建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，來設(shè)置多道抗震防線，盡量提高結(jié)構(gòu)的抗震性。需要將抗震體系當(dāng)作是一個(gè)整體，選擇具有一定延性的、優(yōu)質(zhì)的構(gòu)件，將其作為高層住宅建筑結(jié)構(gòu)抗震的第一道防線，每一個(gè)構(gòu)件都需要有一定的自我保護(hù)能力，等到第一道抗震防線屈服后，后面的防線才會屈服。如若地震等級比較大，那么其外部沖擊力機(jī)會增大，具有較強(qiáng)的破壞性，當(dāng)?shù)卣鸱谰€被沖破后，還有多道防線能夠?qū)Ω邔幼≌ㄖY(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)，以避免其受到嚴(yán)重?fù)p壞。

5 設(shè)計(jì)加強(qiáng)措施與論證結(jié)論

首先采用SATWE補(bǔ)充進(jìn)行了多遇地震作用下彈性時(shí)程分析，所選擇的3組地震波滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)取用時(shí)程分析最大值與振型分解反應(yīng)譜法的結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，保證各構(gòu)件滿足多遇地震彈性要求。然后采用PKPM軟件進(jìn)行罕遇地震靜力彈塑性時(shí)程分析，檢查構(gòu)件和整體結(jié)構(gòu)的損傷情況。結(jié)合大震工況下性能點(diǎn)步驟時(shí)結(jié)構(gòu)整體損傷情況，對底部加強(qiáng)區(qū)損傷嚴(yán)重的山墻、樓梯間端部的剪力墻，適當(dāng)?shù)奶岣邏w的水平和豎向的配筋率，加強(qiáng)墻體的抗拉和抗剪承載力。

本工程底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻局部存在錯(cuò)位，錯(cuò)位部位上下層的剪力墻Q7a和Q7的抗震等級提高一級后至一級，剪力墻Q7a和Q7兩端端柱和連接剪力墻Q7a和Q7的框支梁的抗震等級提高一級后至一級。同時(shí)相關(guān)區(qū)域的樓板板厚加強(qiáng)至200，實(shí)際計(jì)算時(shí)按照彈性膜考慮，最小配筋率按照雙層雙向0.25%控制。

本工程屬于比較規(guī)則的A級高度高層建筑。為了全面了解其抗震性能，采用SATWE軟件進(jìn)行了多遇地震彈性反應(yīng)譜計(jì)算、補(bǔ)充彈性時(shí)程分析、罕遇地震靜力彈塑性分析。

本工程結(jié)構(gòu)分析模型準(zhǔn)確，參數(shù)選擇符合規(guī)范要求和工程現(xiàn)場條件；根據(jù)分析結(jié)果，對局部進(jìn)行針對性地適當(dāng)加強(qiáng)、對錯(cuò)位處的框梁進(jìn)行有限元分析，抗震性能能夠滿足規(guī)范要求，且承載能力和變形能力尚有一定的富余。