某超高層住宅項(xiàng)目抗震超限設(shè)計(jì)與分析

王 永

（貴州大學(xué)勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550025）

0 引言

在推動城市更新發(fā)展的過程中，為滿足建筑功能，平衡投資與成本之間的關(guān)系，超高層住宅樓作為一種解決方案在各地棚改項(xiàng)目中被廣泛應(yīng)用。國內(nèi)一些設(shè)計(jì)單位對超150m 高度的住宅項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一些經(jīng)驗(yàn)，范重[1]等對此進(jìn)行過一些富有成效的研究，研究主要集中在高烈度地區(qū)的鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)，對低烈度地區(qū)普通剪力墻結(jié)構(gòu)有一定的參考作用，但不能直接套用。本文針對某6 度抗震設(shè)防結(jié)構(gòu)不規(guī)則剪力墻超高層住宅樓，采用彈性設(shè)計(jì)、性能化設(shè)計(jì)和動力彈塑性時(shí)程分析，探尋結(jié)構(gòu)動力特性，找出結(jié)構(gòu)薄弱部位，采取針對性加強(qiáng)措施，讓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。

1 工程概況

本工程位于貴陽市某棚改項(xiàng)目內(nèi)，由兩棟住宅塔樓（1 號樓和2 號樓）及多層地下車庫組成，總建筑面積約11.7 萬m2。地下4 層，地上49 層，塔樓結(jié)構(gòu)高度152.80m，塔樓高寬比6.5，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）[2]屬B 級高度超高層建筑。主要建筑功能為地下車庫和設(shè)備用房，地上住宅，建筑立面效果圖見圖1。

圖1 建筑立面效果圖

項(xiàng)目地下室非全埋，地下一層以上結(jié)構(gòu)設(shè)縫斷開。設(shè)計(jì)使用年限50 年，安全等級二級，場地類別Ⅱ類，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范 (2016 年版)》（GB50011-2010）[3]抗震設(shè)防烈度6度，地震分組第一組，基本地震加速度0.05g，抗震設(shè)防類別丙類，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級甲級，基本風(fēng)壓 W0=0.30kN/m2，場地地面粗糙度C 類。采用 YJK 軟件為主要計(jì)算程序，采用MIDASBuilding 進(jìn)行校核對比計(jì)算，利用SAUSAGE 軟件進(jìn)行罕遇地震下動力彈塑性時(shí)程分析。塔樓標(biāo)準(zhǔn)層典型結(jié)構(gòu)布置見圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層典型平面布置圖

2 結(jié)構(gòu)布置和選型

主樓采用現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)體系。為避免剛度突變，剪力墻尺寸及厚度收進(jìn)和混凝土強(qiáng)度變化均錯開一層以上。剪力墻混凝土等級C60～C30，框架柱（僅地下室有）混凝土等級C40，梁板混凝土等級C40、C30。剪力墻是承重體系和抗側(cè)力體系的重要部分，墻厚度沿高度按350～200mm 逐漸均勻減小。梁、板構(gòu)件尺寸按經(jīng)濟(jì)尺寸并結(jié)合計(jì)算確定，塔樓層高較低，考慮建筑使用舒適度，適當(dāng)控制框架梁高度，框架梁典型斷面200×500。整體模型示意圖見圖3。本工程四層地下室中地下四～地下二層為全埋，嵌固端設(shè)置在地下一層樓面。取地下一層樓面標(biāo)高至6 層樓面（從±0.000 算起，H=15.3m）為底部加強(qiáng)部位，并向下延伸至基頂。

圖3 靜力和動力彈塑性模型示意圖

3 抗震設(shè)防和性能目標(biāo)

項(xiàng)目存在建筑高度超限（超過A 級高度限值約9.2%）、規(guī)則性超限（扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、局部樓板錯層），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)》[4]，應(yīng)進(jìn)行抗震超限專項(xiàng)設(shè)計(jì)。由于目前房地產(chǎn)市場比較疲軟，貴陽市作為弱二線城市，房價(jià)不高且上漲乏力，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是既要滿足規(guī)范要求，又要合理控制土建成本。通過和建設(shè)單位密切溝通，咨詢有關(guān)專家建議，并參考國內(nèi)及省內(nèi)已建的類似項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮抗震設(shè)防、建造費(fèi)用、企業(yè)社會責(zé)任、震后損失及修復(fù)難易程度等各項(xiàng)因素，經(jīng)多次試算后確定按C 級性能目標(biāo)設(shè)計(jì)，具體性能指標(biāo)見表1。地上部分抗震等級為二級，地下一層和地下二層抗震等級為二級，地下三層和地下四層抗震等級降低為三級。

表1 構(gòu)件及位移角抗震性能指標(biāo)

4 彈性計(jì)算分析

本工程采用 YJK 和MIDASBuilding 兩個不同力學(xué)模型的空間分析程序進(jìn)行計(jì)算分析。主要計(jì)算結(jié)果差異均在10%以下（見表2），主體結(jié)構(gòu)周期、位移、剛度等指標(biāo)滿足規(guī)范要求，說明計(jì)算結(jié)果合理、有效，計(jì)算模型符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況。選取了五組天然波和二組人工波進(jìn)行彈性時(shí)程分析，分析得出的樓層剪力平均值，在大部分樓層均小于CQC 法規(guī)范反應(yīng)譜得出的樓層剪力。塔樓頂部部分樓層（38 層～屋面層）大于CQC法結(jié)果，對相應(yīng)樓層地震剪力進(jìn)行放大。中震作用下，結(jié)構(gòu)最大位移角 1/523，小于預(yù)設(shè)中震位移角限值1/493，符合“中震可修”的預(yù)期。各層樓板平均拉應(yīng)力小于ftk=2.01MPa，平均剪應(yīng)力小于0.7ftk=1.4 MPa（C30 混凝土），最大拉、剪應(yīng)力出現(xiàn)在核心筒剪力墻開洞處、錯層邊緣處，設(shè)計(jì)中通過加大樓板厚度和配筋，錯層位置設(shè)置梁和樓板加腋，滿足樓板中震彈性的性能要求。

表2 整體電算結(jié)果對比表

5 罕遇地震下彈塑性動力時(shí)程分析

為了分析結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的抗震性能、動力響應(yīng)、變形形態(tài)以及整體結(jié)構(gòu)的彈塑性行為，分析構(gòu)件（特別是關(guān)鍵部位、關(guān)鍵構(gòu)件）的塑性及其損傷情況，判斷結(jié)構(gòu)薄弱部位所在位置，采用 SAUSAGE 軟件，選取2 條天然波TH101、TH076 和1 條人工波RGB1（見圖4）進(jìn)行罕遇地震作用下動力彈塑性分析。

圖4 地震波譜與規(guī)范譜對比圖（罕遇地震）

罕遇地震下各地震波基底剪力見表3。X 向最大層間位移角出現(xiàn)在第30 層，為1/389，Y 向最大層間位移角出現(xiàn)在第30層，為1/552。結(jié)構(gòu)X 向頂點(diǎn)最大位移303mm，Y 向頂點(diǎn)最大位移250mm，滿足“大震不倒”的設(shè)防要求。各條波作用下的樓層位移曲線的變化形式以及大小基本一致，曲線平滑，沒有明顯突變。

表3 彈塑性大震基底剪力計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果顯示，通過設(shè)置合理的剪力墻開洞形成連梁，連梁在大震下?lián)p傷耗能效果明顯，從而保護(hù)了主承重墻肢，主承重墻未出現(xiàn)明顯的損壞，剪力墻最大程度的損壞均為輕度損壞（見圖5）。底部加強(qiáng)區(qū)部分框架梁有輕微到輕度的損壞，框架梁在大震下有效地參與了耗能。通過計(jì)算分析可見，剪力墻和框架滿足性能水準(zhǔn)C 的要求。

圖5 各工況包絡(luò)下局部樓層損傷圖

6 結(jié)論

對于結(jié)構(gòu)不規(guī)則的超高層剪力墻結(jié)構(gòu)住宅項(xiàng)目，選擇合理的性能目標(biāo)（低烈度地區(qū)可以直接按C 級確定，不會明顯增加土建成本），運(yùn)用可靠的計(jì)算分析手段，對承載力、抗震、構(gòu)造以及關(guān)鍵構(gòu)件等進(jìn)行多方面、多角度的分析研究，做到滿足規(guī)范、經(jīng)濟(jì)合理，實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)防目標(biāo)。