某超高層商住樓超限結(jié)構(gòu)抗震性能分析

王文宇

（深圳市同濟(jì)人建筑設(shè)計有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

隨著時代的發(fā)展，塔樓建筑越來越高，多為上部居民住宅，下部商業(yè)裙房。這樣的高樓，往往需通過結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)其功能及效果上的需求[1-3]。目前轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)高度多為100m以內(nèi)，超B級高度的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)較少。本文以某超B級高度商住樓的框支剪力墻結(jié)構(gòu)為例，進(jìn)行相關(guān)超限結(jié)構(gòu)抗震性能分析。

1 項(xiàng)目概述

1.1 基本情況

本項(xiàng)目位于深圳市羅湖區(qū)，總用地面積約1.7萬m2，總建筑面積約18.6萬m2。含3棟高層住宅塔樓及一棟三層幼兒園，下設(shè)三層地下室。A、B、C座住宅結(jié)構(gòu)高度均為174.05m，屬超B級高度結(jié)構(gòu)。各塔樓通過3~4層的裙房相連，形成多塔結(jié)構(gòu)。除核心筒剪力墻及極少數(shù)剪力墻向下延伸至基礎(chǔ)外，其余剪力墻均在裙房頂?shù)募芸諏舆M(jìn)行轉(zhuǎn)換，成為框支剪力墻結(jié)構(gòu)。地下室為3~4層，埋深約15.5m。

1.2 結(jié)構(gòu)布置

本項(xiàng)目三棟塔樓雖然平面形狀存在差別，但根據(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），各塔樓的主要超限點(diǎn)基本一致，包括：高度174m超限；各塔樓標(biāo)準(zhǔn)層部分均存在部分樓層扭轉(zhuǎn)位移比大于1.20；B、C座最大凹進(jìn)尺寸大于相應(yīng)邊長30%；B、C座樓板有效寬度均小于50%；通過裙房不設(shè)縫相連，屬多塔結(jié)構(gòu)；豎向構(gòu)件存在較大程度的轉(zhuǎn)換。本項(xiàng)目三棟高層商住樓均屬于超限結(jié)構(gòu)，本文以A座為例分析其抗震性能。A座標(biāo)準(zhǔn)層及框支層平面圖如圖1、圖2所示。

圖1 A座標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

圖2 A座轉(zhuǎn)換層平面圖

A座住宅共53層，標(biāo)準(zhǔn)層層高為2.9m，其中10層、26層、42層為避難層，層高4.0m。裙房三層，局部含夾層，四層為框支層，層高7.2m。塔樓高寬比約為6.3。轉(zhuǎn)換層及以下墻厚600~400，標(biāo)準(zhǔn)層墻厚400~200?？蛑е叽鐬?500×1500~1600×2150（含型鋼），框支主梁尺寸為900×2000~2100×2000（含型鋼），框支次梁尺寸為700×1800~1200×1800。

2 抗震性能目標(biāo)與分析

2.1 抗震性能目標(biāo)

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）（以下簡稱“高規(guī)”）第3.11節(jié)[1]，各棟塔樓選擇抗震性能目標(biāo)為C類。其中關(guān)鍵構(gòu)件不同水準(zhǔn)的抗震性能目標(biāo)為多遇地震彈性，偶遇地震抗剪彈性、抗彎不屈服，罕遇地震抗剪不屈服、抗彎個別屈服。

2.2 抗震性能分析

2.2.1 多遇地震彈性分析

（1）反應(yīng)譜分析。

本項(xiàng)目采用YJK與ETABS兩個軟件進(jìn)行多遇地震與風(fēng)荷載作用下的指標(biāo)分析，并相互校核。結(jié)果顯示兩個軟件的分析結(jié)果差值均在5%以內(nèi)。

（2）彈性時程分析。

本項(xiàng)目采用彈性時程分析法進(jìn)行補(bǔ)充計算。小震彈性階段采用2條人工加速度時程波和5條天然加速度時程波進(jìn)行分析。結(jié)果顯示時程結(jié)果的底部剪力平均值與CQC結(jié)果相當(dāng)，X、Y方向比值分別為1.01及0.99。反應(yīng)譜分析的局部樓層剪力需根據(jù)時程分析結(jié)果進(jìn)行放大，其中X向49~58層的樓層剪力放大倍數(shù)為1.02~1.08，Y向16~30層、38~58層的樓層剪力放大倍數(shù)為1.01~1.2。

（3）單、多塔對比。

三棟高層塔樓通過底部商業(yè)裙房相連，形成多塔結(jié)構(gòu)。根據(jù)《高規(guī)》5.1.14條規(guī)定，多塔結(jié)構(gòu)宜按整體模型和各塔樓分開的模型分別計算，并采用較不利的結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。單、多塔模型主要計算指標(biāo)對比如表1所示。

表1 單、多塔指標(biāo)對比

從表1可知，多塔模型與單塔模型計算結(jié)果基本一致，裙房對塔樓的整體指標(biāo)影響較小?？傮w上，多塔模型中，塔樓的周期略有延長，樓層位移角略有加大，塔樓底部剪力與彎矩互有大小關(guān)系。裙房樓層的位移比按多塔模型計算更準(zhǔn)確。對比單、多塔模型的構(gòu)件配筋，結(jié)果大致相同，僅局部配筋相差在10%內(nèi)，可判斷在多遇地震和風(fēng)作用荷載下，商業(yè)裙房大底盤多塔對結(jié)構(gòu)整體和構(gòu)件設(shè)計的影響相對較小。施工圖中裙房按照多塔模型進(jìn)行設(shè)計；裙房高度內(nèi)塔樓根據(jù)多塔及單塔模型進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計。裙房屋面為大底盤頂，參照多塔復(fù)雜結(jié)構(gòu)的板厚及配筋加強(qiáng)。

2.2.2 設(shè)防地震抗震性能分析

（1）豎向關(guān)鍵構(gòu)件抗剪彈性、抗彎不屈服。

對設(shè)防地震與多遇地震作用下的配筋結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果顯示框支柱、底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻的配筋基本一致，表明根據(jù)規(guī)范要求對框支柱進(jìn)行小震設(shè)計，其性能可以基本達(dá)到中震抗彎不屈，抗剪彈性的目標(biāo)。僅結(jié)構(gòu)外圍的局部框支柱與剪力墻配筋有所加大，經(jīng)分析，是由于設(shè)防地震作用下，邊角處的豎向構(gòu)件出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，其中框支柱最大名義拉應(yīng)力為3.9MPa，部分剪力墻端柱最大拉應(yīng)力為4.5MPa，大于材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.85MPa，框支柱及剪力墻邊緣構(gòu)件通過配置型鋼或加大縱筋配筋率后均可滿足抗拉要求。

（2）轉(zhuǎn)換梁構(gòu)件抗剪彈性、抗彎不屈服。

設(shè)計前期，框支轉(zhuǎn)換梁均采用普通鋼筋混凝土大梁，結(jié)果顯示較多截面抗剪及抗扭不滿足要求。故將框支主梁及部分框支次梁改為型鋼混凝土梁。

對比YJK小、中震下的框支梁配筋，結(jié)果顯示小震配筋包絡(luò)了中震抗剪彈性抗彎不屈服的配筋需求?；诎踩紤]，采用ETABS計算所得的中震內(nèi)力進(jìn)行配筋復(fù)核，結(jié)果顯示兩個軟件的結(jié)果相對接近，表明結(jié)構(gòu)具有較高的可靠度，通過合理配筋可滿足抗剪彈性，抗彎不屈服的性能目標(biāo)。

（3）轉(zhuǎn)換層樓板有限元彈性分析。

轉(zhuǎn)換層樓板既是傳遞樓層水平力并按剛度分配至所有抗側(cè)力系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)件，也是框支大梁的翼緣，與框支轉(zhuǎn)換梁共同工作。本項(xiàng)目采用殼單元對轉(zhuǎn)換層樓板進(jìn)行模擬，驗(yàn)證樓板的中震彈性的性能目標(biāo)，并提出施工圖階段的配筋指導(dǎo)。

本項(xiàng)目轉(zhuǎn)換層框支梁數(shù)量多，尺寸大，純樓板區(qū)域范圍較小，樓板應(yīng)力未出現(xiàn)明顯的豎向受荷模式，應(yīng)力主要由水平荷載產(chǎn)生，集中于與核心筒落地墻相連的區(qū)域。樓板壓應(yīng)力均在混凝土抗壓承載力范圍內(nèi)，拉應(yīng)力也基本在5MPa以內(nèi)?？紤]到應(yīng)力集中多在與墻相交節(jié)點(diǎn)及墻體拐角處，總體呈現(xiàn)以核心筒為中心的井字形分布。施工圖中，考慮板厚為200mm，局部應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行配筋加強(qiáng)，采取三級鋼14@10雙層雙向加密的配筋形式。

2.2.3 罕遇地震彈塑性時程分析

采用SAUSAGE軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震的彈塑性時程分析。結(jié)果顯示罕遇地震的基底剪力是多遇地震的4.0~5.3倍，大震底部剪力與小震彈性時程分析的比值合理，抗側(cè)力構(gòu)件在兩個方向均進(jìn)入了彈塑性。樓層彈塑性位移最大值為X向1/219，Y向1/217，均滿足1/150的性能目標(biāo)[4]。

框架柱及框支柱的整體性能多數(shù)為無損壞~輕微損壞。塔樓剪力墻的性能多數(shù)在無損壞~輕度損壞狀態(tài)，僅局部個別邊緣構(gòu)件區(qū)域出現(xiàn)中度損壞，施工圖中將對特定位置的邊緣構(gòu)件進(jìn)行配筋加強(qiáng)。較多連梁出現(xiàn)中度~嚴(yán)重?fù)p壞，符合抗震多道防線的設(shè)計預(yù)期?？蛑Я翰捎脷卧M，整體性能在無損壞~輕度損壞狀態(tài)；框支梁受力以重力荷載為主，梁底拉應(yīng)變相對大，總體應(yīng)變水平不高。裙房各樓層在與塔樓相連的周邊出現(xiàn)較多輕微損壞~輕度損壞，反映了偏置大裙房扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的不利影響，應(yīng)采取措施，控制裙房扭轉(zhuǎn)，并適當(dāng)加大塔樓周邊樓板厚度與配筋。

2.2.4 框支層的可靠性與耗能區(qū)分析

本項(xiàng)目框支轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)為框支柱在外、落地核心筒在內(nèi)，且外圍接近全框支轉(zhuǎn)換。對落地墻與框支柱傾覆彎矩分配這一重要指標(biāo)，不同算法差異較大，如表2所示。對比轉(zhuǎn)換柱與托墻的截面積，前者為后者的1.1倍，一定程度上表明了框支層以下的抗剪承載能力不低于上部結(jié)構(gòu)，豎向構(gòu)件尺寸與總面積合理，框支層以下豎向構(gòu)件總體軸壓比可以控制在相對較低的水平。

表2 A座首層框架柱傾覆力矩比例

近年來，一些地鐵上蓋項(xiàng)目出現(xiàn)了類似的大范圍框支轉(zhuǎn)換，甚至全轉(zhuǎn)換，這些項(xiàng)目的分析與設(shè)計顯示一般框支柱頂先屈服，但仍然具備承載力。對此，認(rèn)為柱頂完全屈服，甚至成鉸接的屈服機(jī)制應(yīng)持謹(jǐn)慎態(tài)度。因此，為論證框支層的可靠性與實(shí)際耗能區(qū)位置，考慮對結(jié)構(gòu)進(jìn)行2倍時長的罕遇地震時程激勵。

結(jié)果表明，框支梁及框支柱首先出現(xiàn)損傷，但隨地震力的持續(xù)作用，其損傷程度發(fā)展有限，主要損傷出現(xiàn)于首層落地剪力墻及轉(zhuǎn)換層以上的底部加強(qiáng)區(qū)，與規(guī)范規(guī)定的底部加強(qiáng)區(qū)相符。耗能順序與損傷開展順序相同，第一道防線為連梁構(gòu)件耗能，第二道防線為落地剪力墻耗能，框支柱未充分發(fā)揮第二道防線的作用。損傷隨即轉(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)換層以上的2~3層墻體，與落地剪力墻共同成為主要耗能區(qū)。故雖框支柱的底部傾覆彎矩按軸力方式超限較多，但損傷程度有限，不會引起結(jié)構(gòu)安全問題。按防線的開展順序，結(jié)構(gòu)加強(qiáng)部位應(yīng)特別關(guān)注連梁，底層落地墻及轉(zhuǎn)換層以上的底部加強(qiáng)區(qū)采取相關(guān)的加強(qiáng)措施。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計加強(qiáng)措施

根據(jù)各地震效應(yīng)和各專題分析結(jié)果，本項(xiàng)目有針對性地采取以下主要的加強(qiáng)措施：

（1）塔樓底部落地剪力墻墻身水平和豎向分布筋配筋率不低于0.45%，轉(zhuǎn)換層以上加強(qiáng)區(qū)部位剪力墻墻身水平和豎向分布筋的最小配筋率不低于0.45%，底部加強(qiáng)區(qū)邊緣構(gòu)件縱筋配筋率不低于1.5%。約束邊緣構(gòu)件層與構(gòu)造邊緣構(gòu)件層之間設(shè)置2層過渡區(qū)，剪力墻水平和豎向分布筋配筋率不低于0.35%。

（2）對于出現(xiàn)小偏拉的墻肢，按特一級構(gòu)造進(jìn)行加強(qiáng)，全截面縱向鋼筋配筋率不小于0.6%。

（3）轉(zhuǎn)換層樓板采用200mm雙層雙向配筋，并根據(jù)殼元模型在支座位置處加強(qiáng)。核心筒與薄弱連接樓板配筋不小于14@100。

（4）加強(qiáng)塔樓框支轉(zhuǎn)換以下樓層的框架梁配筋，縱筋取計算值的1.1倍，推遲框支樓層塑性鉸出現(xiàn)的時間，提高其整體性能。

4 結(jié)束語

本項(xiàng)目用兩個軟件計算所得的指標(biāo)相當(dāng)，基本滿足規(guī)范要求。時程分析與反應(yīng)譜之間具有一致性和規(guī)律性。設(shè)防烈度地震作用下，關(guān)鍵構(gòu)件處于受彎不屈服、抗剪彈性狀態(tài)；框架梁、連梁僅部分出現(xiàn)受彎屈服，但受剪不屈服，能夠滿足預(yù)定的性能目標(biāo)。罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)層間彈塑性位移角滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)主要抗側(cè)力構(gòu)件沒有發(fā)生嚴(yán)重破壞；可滿足預(yù)定的抗震性能目標(biāo)。其余專項(xiàng)分析表明，通過有針對性的加強(qiáng)配筋，增大構(gòu)件尺寸，特殊構(gòu)造做法等方式可滿足項(xiàng)目存在的平面不規(guī)則、多塔、構(gòu)件間斷等特殊情況受力需求，是安全、可靠、合理且滿足規(guī)范要求的。