某超高層住宅結(jié)構(gòu)抗震分析設(shè)計

郭 瑾

（廣州市設(shè)計院集團有限公司，廣東 廣州 510620）

1 工程概況

廣州某超高層住宅工程位于廣州市荔灣區(qū)，2D、2E棟共43層，高137.30 m，建筑面積約2萬m2。標(biāo)準(zhǔn)層層高3.1 m，首層層高6.7 m，避難層層高3.3 m。2D、2E棟標(biāo)準(zhǔn)層平面如圖1所示。

圖1 2D、2E棟標(biāo)準(zhǔn)層平面（單位：mm）

2 設(shè)計參數(shù)

本工程的設(shè)計使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級?？拐鹪O(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度0.10g，設(shè)計地震分組為第一組，Ⅱ類場地，50年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓為0.5 kN/m2，地面粗糙度類別為C類。塔樓及周邊外延兩跨框架和剪力墻的抗震等級如下：地下一層及以上為一級，首層標(biāo)高改變處為特一級，地下二層為二級，地下三層為三級。塔樓及周邊外延兩跨以外地下室抗震等級如下：地下一層為三級，地下二層及以下為四級。

由于地下室頂板較完整且無開洞，結(jié)構(gòu)嵌固端取在首層。

3 結(jié)構(gòu)布置及性能目標(biāo)

3.1 結(jié)構(gòu)布置

本工程塔樓采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系，屬B級高度高層建筑。2D、2E棟高寬比為6.1:1，平面呈“L”形，長寬比為1.22:1。塔樓投影范圍內(nèi)地下一層及首層采用梁板結(jié)構(gòu)，塔樓投影范圍以外采用加腋大板。剪力墻底部樓層墻厚550～300 mm，中部樓層墻厚300～250 mm，頂部樓層墻厚為300～200 mm。主要框架梁截面為（200 mm×600 mm）～（300 mm×600 mm），次梁主要截面為（200 mm×400 mm）～（200 mm×600 mm）。塔樓核心筒區(qū)域采用現(xiàn)澆樓蓋，其他區(qū)域主要采用鋼筋桁架樓承板。

3.2 結(jié)構(gòu)超限情況及性能目標(biāo)

2D、2E棟主體結(jié)構(gòu)高度137.30 m，屬B級高度超高層建筑，除高度超限外主要有扭轉(zhuǎn)不規(guī)則（考慮偶然偏心的結(jié)構(gòu)最大扭轉(zhuǎn)位移比均為1.36）、凹凸不規(guī)則、樓板不連續(xù)等3項超限項[1-3]。

本項目抗震性能目標(biāo)為C級。

4 專項分析

4.1 樓板應(yīng)力分析

針對樓板凹凸不規(guī)則的情況，分別對在小、中、大震作用下對樓板應(yīng)力進行分析。分析表明，各單體在常遇地震下，除個別應(yīng)力集中區(qū)域外，樓板拉應(yīng)力設(shè)計值不大于混凝土抗拉強度設(shè)計值，樓板剪應(yīng)力設(shè)計值不大于混凝土抗剪強度設(shè)計值，樓板抗彎抗剪均為彈性；在設(shè)防烈度地震作用下，除個別應(yīng)力集中區(qū)域外，樓板拉應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值不大于混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，樓板剪應(yīng)力設(shè)計值不大于混凝土抗剪強度設(shè)計值，樓板抗彎不屈服，抗剪為彈性；在罕遇地震作用下，除個別應(yīng)力集中區(qū)域外，樓板剪應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值均小于混凝土抗剪強度標(biāo)準(zhǔn)值，樓板抗剪不屈服。

4.2 2D棟大震剪力傳遞分析

如圖1所示，將2D棟分為3個分塊，分別計算豎向構(gòu)件與地震作用方向正交（簡稱基本模型）以及平面主軸與地震作用方向正交（簡稱轉(zhuǎn)角模型）兩個模型，并分別計算各分塊承擔(dān)的X向及Y向的剪力占樓層總剪力的比例（簡稱剪力占比）及各分塊的重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值占樓層總重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值的比例（簡稱重力占比），并計算各分塊剪力占比與重力占比的比值，若此比值接近于1，則認(rèn)為該分塊僅承擔(dān)分塊內(nèi)的剪力，若此比值大于1，則認(rèn)為該分塊承擔(dān)了其余分塊的剪力，各分塊之間發(fā)生了剪力傳遞。計算及分析結(jié)果如表1至表3所示，分析結(jié)果表明：對于基本模型，剪力傳遞主要發(fā)生在分塊一與分塊二之間，對應(yīng)樓板應(yīng)力分析中該處應(yīng)力增大；對于轉(zhuǎn)角模型Y向，核心筒承擔(dān)了更多的剪力，對應(yīng)樓板應(yīng)力分析中該處應(yīng)力增大。

表1 各分塊重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值占比

表2 剪力傳遞分析結(jié)果

表3 轉(zhuǎn)角模型剪力傳遞分析結(jié)果

5 結(jié)構(gòu)分析計算

5.1 小震彈性分析

2D、2E棟采用YJK及Etabs軟件進行計算，由于2D、2E棟的結(jié)構(gòu)具有較多斜交抗側(cè)力構(gòu)件，因此增加了轉(zhuǎn)39.28°角模型和未轉(zhuǎn)角模型數(shù)據(jù)對比，在振型參與系數(shù)達到90%的情況下，對比模型的總質(zhì)量、前三階自振周期等偏差均在8%以下，反應(yīng)譜計算的基底剪力、傾覆彎矩偏差均在15%以下，對比模型的質(zhì)量、周期、剪力、剪重比、位移形態(tài)等數(shù)值基本一致，各項指標(biāo)在規(guī)范合理限值范圍內(nèi)，剪力墻、框架梁、連梁配筋均較為合理。

5.2 彈性動力時程分析

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（簡稱《高規(guī)》）[2]4.3.4條和4.3.5條，對2D、2E棟進行了常遇地震下的彈性時程分析。按地震波選取三要素，選?、蝾悎龅?條地震波（5條天然波，2條人工波）進行計算，同時針對斜交抗側(cè)力構(gòu)件建立了轉(zhuǎn)角模型，主方向地震波加速度峰值取35 cm/s2。各模型的計算結(jié)果均表明，結(jié)構(gòu)多組時程曲線的平均地震響應(yīng)系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上是相同的，在結(jié)構(gòu)前三階自振周期位點上的地震波加速度反應(yīng)譜與規(guī)范譜相差小于20%，各對比模型的每條時程曲線兩個方向計算所得的時程分析法基底最大總剪力與振型分解反應(yīng)譜法基底最大總剪力的比值均在65%～135%，每組時程曲線計算所得基底平均剪力與振型分解反應(yīng)譜法計算所得平均剪力的比值在80%～120%。各單體基底剪力滿足《高規(guī)》4.3.5條的要求，小震彈性設(shè)計時各層剪力按振型分解反應(yīng)譜法與時程分析法取包絡(luò)設(shè)計。

5.3 性能設(shè)計

采用YJK軟件對2D、2E棟進行了小震彈性、中震彈性、中震不屈服下的受力分析，并對大震抗剪截面、底部加強區(qū)剪力墻大震抗剪不屈服進行了驗算。小震彈性計算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)滿足小震彈性的設(shè)計要求。對結(jié)構(gòu)中部樓層個別連梁抗剪截面不滿足要求的，采用強剪弱彎復(fù)核配筋。對小震彈性和中震彈性豎向構(gòu)件水平筋進行比較，剪力墻水平筋、豎向構(gòu)件抗剪箍筋主要為小震控制，為滿足性能要求，取包絡(luò)設(shè)計。對小震彈性和中震不屈服豎向構(gòu)件配筋、剪力墻連梁、框架梁縱向配筋進行比較，配筋結(jié)果有小震控制，也有中震不屈服控制，為了滿足性能要求，取包絡(luò)設(shè)計。對各單體豎向構(gòu)件進行大震抗剪截面驗算，構(gòu)件剪壓比滿足限值與性能要求。底部加強區(qū)剪力墻水平分布筋配置滿足大震抗剪不屈服的要求。

采用YJK軟件以2D棟為代表對墻肢分別進行了風(fēng)荷載作用下、常遇地震作用下、設(shè)防烈度地震作用下的受拉分析，根據(jù)墻肢受拉分析驗算結(jié)果，將墻肢拉應(yīng)力與2 ftk對比，取首層為代表，如表4所示，對出現(xiàn)偏拉的墻肢，通過提高墻肢的配筋率來滿足中震下性能設(shè)計的要求[4]。

表4 墻肢受拉驗算

5.4 彈塑性動力時程分析

采用PKPM-SAUSAGE軟件對結(jié)構(gòu)進行動力彈塑性時程分析，各單體選用1條人工波，2條天然波，地震波主方向峰值220 cm/s2，次方向峰值187 cm/s2，由于結(jié)構(gòu)存在強弱方向區(qū)分，故每條地震波各選取X、Y方為結(jié)構(gòu)主方向。2D棟的結(jié)構(gòu)前三階自振周期分別為3.848 s、2.988 s、2.038 s，模型大震彈塑性最大剪力為小震CQC法基底剪力的4.57～6.66倍，大震彈塑性最大層間位移角在1/174～1/490，滿足1/120的限值要求。對于2D棟轉(zhuǎn)角模型，其結(jié)構(gòu)前三階自振周期分別為3.821 s、2.971 s、2.048 s，模型大震彈塑性最大剪力為小震CQC法基底剪力的4.44～6.16倍，大震彈塑性最大層間位移角在1/148～1/422，滿足1/120的限值要求。罕遇地震作用下兩個方向結(jié)構(gòu)各樓層的層間位移角、層位移曲線相對平滑，無明顯突變，位移角在中部樓層最大，位移曲線為彎曲型，與小震彈性階段曲線分析趨勢一致，說明結(jié)構(gòu)進入彈塑性階段后的剛度分布較為合理，沒有出現(xiàn)明顯的薄弱層。彈塑性動力時程分析過程中，塑性鉸最先出現(xiàn)在連梁上，然后出現(xiàn)在連接剪力墻的框架梁上。在大震作用下，部分連梁損壞嚴(yán)重，說明在大震作用下該區(qū)域連梁剛度退化明顯，連梁發(fā)揮了預(yù)期的耗能作用；在大震作用下，剪力墻能夠保證結(jié)構(gòu)整體完整，除個別部位產(chǎn)生重度損壞以外，均保持在輕度損壞及輕度損壞以下，滿足C級抗震性能要求，結(jié)構(gòu)可行且安全[5]。

6 結(jié)構(gòu)抗震加強措施

根據(jù)超限分析結(jié)果，提出以下結(jié)構(gòu)抗震加強措施。

根據(jù)各水準(zhǔn)性能分析結(jié)果，底部加強區(qū)剪力墻豎向分布鋼筋的配筋率0.30%，同時各構(gòu)件根據(jù)性能水準(zhǔn)，取包絡(luò)設(shè)計。

針對平面凹凸不規(guī)則，在凹凸位置利用電梯井與樓梯間布置相對完整的筒體，改善平面薄弱部位的受力性能，同時采用YJK軟件對樓板在小、中、大震下樓板受力進行了分析，并進行了大震剪力傳遞分析，表明樓板處于良好的工作狀態(tài)，可以保證結(jié)構(gòu)的整體性。

針對平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，計算采用考慮扭轉(zhuǎn)耦連、偶然偏心等空間計算模型進行多軟件的受力對比分析，并將全樓角部剪力墻設(shè)置為約束邊緣構(gòu)件。

7 結(jié)語

綜上所述，2D、2E棟已經(jīng)超過A級高度120 m，為B級高度超高層建筑，存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、平面凹凸不規(guī)則、樓板不連續(xù)等3項不規(guī)則項。本文針對不規(guī)則項進行了小震對比分析、小震彈性時程分析、性能設(shè)計、樓板傳力分析、大震動力彈塑性分析等，并根據(jù)分析結(jié)果對相關(guān)構(gòu)件采取了相應(yīng)的加強措施，分析結(jié)果表明結(jié)構(gòu)可滿足規(guī)范的有關(guān)要求，達到C級抗震性能要求，結(jié)構(gòu)可行且安全。