廣州某項(xiàng)目A棟超高層住宅結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

余楚江

（廣州市設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 廣州 510620）

1 工程概況

廣州市海珠區(qū)某項(xiàng)目北側(cè)為昌崗中路，南側(cè)為某小區(qū)，項(xiàng)目由4 棟超高層住宅塔樓和局部商業(yè)裙房組成，總建筑面積14.8萬m2。本文介紹的A棟超高層住宅樓，地下6 層，地上46 層，建筑總高度147.7 m。地下室主要為機(jī)動車庫、人防和配套設(shè)備用房；首層為住宅大堂，層高3.5 m（局部通高8.0 m），二層為物業(yè)管理用房，層高4.5 m，3 層以上為住宅區(qū)，層高3.1 m，其中16 層和31 層為避難層，層高4.5 m。建筑效果如圖1所示。

圖1 建筑效果Fig.1 Architectural Effect

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類），結(jié)構(gòu)安全等級為二級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.0。

抗震設(shè)防烈度為7 度［1］，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.1g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.35 s。

50 年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓ω0=0.50 kN/m2，地面粗糙度類別為C 類?？紤]高層結(jié)構(gòu)對風(fēng)荷載比較敏感，結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算取基本風(fēng)壓的1.1 倍［2］。主體結(jié)構(gòu)體型系數(shù)為1.4。

2 結(jié)構(gòu)選型與布置

本項(xiàng)目建設(shè)場地狹小，地下車道入口設(shè)置于塔樓內(nèi)部，為避開地下車道，局部剪力墻需在首層樓面進(jìn)行轉(zhuǎn)換；首層為住宅大堂和架空活動空間，為滿足大空間使用功能要求，3層樓面以下局部取消剪力墻，于3 層樓面采用混凝土框架托墻轉(zhuǎn)換，以滿足上下兩個功能區(qū)的使用要求。綜合考慮建筑功能需求以及結(jié)構(gòu)合理性，主體結(jié)構(gòu)采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系［3-4］。

按照“均勻、對稱、分散、周邊”的布置原則，結(jié)合住宅平面分隔墻以及中部電梯井、樓梯間墻體位置布置縱橫向剪力墻，并盡量用長墻肢，避免形成短肢剪力墻，提高結(jié)構(gòu)整體抗震性能和減少墻體厚度，提升建筑內(nèi)部使用空間，剪力墻厚度由底部的400～600 mm，逐漸減薄為200～250 mm，核心筒落地剪力墻厚度不小于300 mm，以提高結(jié)構(gòu)整體抗扭和抗側(cè)剛度，混凝土強(qiáng)度等級為C40～C60。

框支框架為結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件，為了提高其承載能力以及延性，采用型鋼混凝土框支框架，框支柱截面為1 200 mm×2 000 mm，內(nèi)置十1 000（400）×800（400）×60×80 或H800×400×60×80 型鋼；框支梁截面1 200（1 500）mm×2 000 mm，內(nèi)置H1 300×400×60×80型鋼。

地下室與塔樓樓蓋均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)。地下室采用加腋大板，框架梁截面主要為400 mm×600 mm、500 mm×800 mm，板厚180～250 mm，混凝土強(qiáng)度等級為C35；3 層轉(zhuǎn)換層樓面為滿足衛(wèi)生間排水要求，整體降板500 mm，以保證水平力在樓板平面內(nèi)的可靠傳遞，同時降低框支層的高度，利于提高其抗側(cè)剛度，且可作為首層與三層之間的管線轉(zhuǎn)換空間，板厚取為200 mm，混凝土強(qiáng)度等級為C40；塔樓標(biāo)準(zhǔn)層板厚為100～120 mm，樓梯間與電梯間周邊板適當(dāng)加厚至150 mm，混凝土強(qiáng)度等級為C35。

典型結(jié)構(gòu)平面如圖2所示。

圖2 典型結(jié)構(gòu)平面Fig.2 Typical Structure Plan （mm）

3 結(jié)構(gòu)超限情況及抗震性能目標(biāo)

3.1 結(jié)構(gòu)超限情況

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）［5］、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50011—2010》［1］以及《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 3—2010》［6］進(jìn)行超限情況判定，本項(xiàng)目主屋面高度為147.7 m，超過框支剪力墻結(jié)構(gòu)100 m 高度限值47.7%，為超限高層建筑，且存在以下不規(guī)則項(xiàng)：

⑴結(jié)構(gòu)考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比為1.4＞1.2，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；

⑵ 15 層X向偏心率為26.79%、Y向偏心率為18.02%，大于15%，屬于偏心布置；

⑶標(biāo)準(zhǔn)層寬度為21.20 m，凸出部分長7.15 m，凸出比例為33.7%，大于30%，屬于凹凸不規(guī)則；

⑷三層與首層樓面存在局部托墻轉(zhuǎn)換，屬于構(gòu)件間斷；

⑸首層、二層存在局部穿層柱，屬于局部不規(guī)則。

3.2 抗震性能目標(biāo)

針對上述不規(guī)則情況，采用基于性能化的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)［6］，結(jié)構(gòu)整體抗震性能目標(biāo)為C級，對于框支框架，抗震性能目標(biāo)提高至B級。

剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)墻肢、框支框架為本項(xiàng)目的關(guān)鍵構(gòu)件；剪力墻非底部加強(qiáng)區(qū)墻肢為普通豎向構(gòu)件；框架梁，剪力墻連梁為耗能構(gòu)件。主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)如表1所示。

表1 主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能目標(biāo)Tab.1 Seismic Performance Objectives of Main Structural Members

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

本項(xiàng)目采用YJK 進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)以及中震和大震下的抗震性能設(shè)計(jì)，采用ETABS復(fù)核小震下的主要整體指標(biāo)，并采用SAUSAGE 進(jìn)行大震下的彈塑性時程分析。

4.1 整體計(jì)算分析

結(jié)構(gòu)計(jì)算計(jì)入偶然偏心地震作用、雙向水平地震作用及豎向地震作用。地震作用采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行計(jì)算，考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)地震效應(yīng)，3個方向地震作用X∶Y∶Z=1∶0.85∶0.65。結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05，計(jì)算振型數(shù)取質(zhì)量參與系數(shù)大于90%以上，主要計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 多遇地震下主要計(jì)算結(jié)果Tab.2 Main Calculation Results under Frequent Earthquakes

由表2 可知，兩個分析程序所得的主要計(jì)算結(jié)果相近，計(jì)算結(jié)果合理有效。結(jié)構(gòu)沿主軸方向振動形式相近，結(jié)構(gòu)振型、周期、位移形態(tài)和量值在合理范圍內(nèi)；結(jié)構(gòu)周期比、層間位移比、剛度比以及層間位移角等整體指標(biāo)均滿足文獻(xiàn)［6］的限值要求；構(gòu)件的配筋均在合理范圍，構(gòu)件截面選取合理，結(jié)構(gòu)體系選擇恰當(dāng)。

地下室樓層側(cè)向剛度比分別為3.16（X向）和3.17（Y向），首層可滿足嵌固端的要求；首層剪重比為1.36%（X向）和1.49%（Y向），不滿足最小剪重比要求，全部樓層地震剪力乘以相應(yīng)的放大系數(shù)。

4.2 小震彈性時程分析

根據(jù)文獻(xiàn)［1］規(guī)定，選取5 組天然波以及2 組人工波進(jìn)行小震下的彈性時程分析，地震波的頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時間均滿足要求，按主方向∶次方向∶豎向=1∶0.85∶0.65 的比例輸入，地震波的峰值加速度取35gal，主要結(jié)果如表3所示。

表3 彈性時程分析主要結(jié)果Tab.3 Main Results of Elastic Time History Analysis

由表3 結(jié)果可知，小震彈性時程分析各地震波基底剪力在振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算基底剪力的65%～135%之間，7組地震波平均基底剪力在振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算基底剪力的80%～120%之間；X、Y方向的層間位移角最大值分別為1/887 和1/1237，均滿足規(guī)范要求。設(shè)計(jì)時根據(jù)小震彈性時程分析結(jié)果調(diào)整各層剪力（與剪重比放大系數(shù)包絡(luò)取值），其結(jié)果偏于安全，滿足文獻(xiàn)［6］要求。

4.3 中震抗震性能設(shè)計(jì)

采用YJK 對結(jié)構(gòu)中震性能水準(zhǔn)3 進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)構(gòu)在中震下X、Y向的層間位移角分別為1/337 和1/455，X、Y向基底剪力分別為小震下基底剪力的2.67倍和2.68倍，均在合理范圍內(nèi)。

中震下，首層部分轉(zhuǎn)換墻肢抗剪截面不滿足要求，設(shè)計(jì)采用內(nèi)嵌鋼板剪力墻，以提高其斜截面承載力及延性性能，如圖3?所示。

圖3 首層內(nèi)嵌鋼板剪力墻及內(nèi)置型鋼剪力墻Fig.3 Embedded Steel Plate Shear Wall on the First Floor and Built-in Steel Shear Wall

首層～7層、低區(qū)避難層以及高區(qū)避難層因?qū)痈咻^高，部分墻肢出現(xiàn)受拉，除右上角墻肢外，受拉墻肢拉應(yīng)力均小于混凝土抗拉強(qiáng)度。設(shè)計(jì)時于右上角剪力墻內(nèi)設(shè)置型鋼以抵抗拉力，型鋼上下各延伸一層，如圖3?所示。中震出現(xiàn)偏心受拉的墻肢抗震等級提高至特一級，對中震下配筋率較高的小墻肢適當(dāng)增設(shè)型鋼，承當(dāng)部分剪力。

考慮到框支框架的重要性，將框支框架在中震下設(shè)為無損壞（抗彎抗剪均彈性），即相當(dāng)于第二性能水準(zhǔn)要求，對其按照第二性能水準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)算，框支框架均滿足計(jì)算要求，無承載力不足的情況，能滿足性能水準(zhǔn)2的要求。

通過中震分析對結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)，嚴(yán)格控制各構(gòu)件截面（剪壓比）滿足要求，關(guān)鍵構(gòu)件及普通豎向構(gòu)件采用包絡(luò)配筋設(shè)計(jì)。耗能構(gòu)件的縱筋二者相差太大的構(gòu)件，適當(dāng)提高縱筋配筋率，以減小中震的損傷程度，可滿足預(yù)設(shè)的“中震可修”的性能目標(biāo)。

4.4 大震抗震性能設(shè)計(jì)

根據(jù)文獻(xiàn)［6］要求，采用YJK 對豎向構(gòu)件進(jìn)行第四性能水準(zhǔn)（框支框架性能水準(zhǔn)3）的受剪截面驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果表明，墻柱抗剪截面均滿足要求?？蛑Э蚣芡ㄟ^箍筋的包絡(luò)設(shè)計(jì)，亦可達(dá)到預(yù)設(shè)的性能目標(biāo)。

4.5 大震動力彈塑性時程分析

采用SAUSAGE 對結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震下的動力彈塑性時程分析，研究主要構(gòu)件特別是框支框架的塑性損傷和整體變形情況，以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，并采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施。

選取1 組人工波，2 組天然波，按主方向∶次方向∶豎向=1∶0.85∶0.65的比例輸入，地震波的峰值加速度取220gal，大震彈塑性時程分析結(jié)果顯示，大震下X、Y向的最大層間位移角分別為1/266 和1/310，均能滿足1/120 的限值要求；結(jié)構(gòu)基底剪力是小震下對應(yīng)值的3.69～6.00倍，結(jié)構(gòu)部分進(jìn)入彈塑性［7］。

大震作用下，剪力墻墻肢均未出現(xiàn)明顯受壓損傷，絕大部分為無損壞，局部出現(xiàn)輕微損壞，且損壞多集中在結(jié)構(gòu)底部，轉(zhuǎn)換層樓面以上部位；框支框架無明顯受壓損壞，僅框支梁有輕微至輕度的受拉損壞；結(jié)構(gòu)主要由連梁和框架梁屈服耗能，出現(xiàn)中度或重度損壞，沿全樓均有分布，且中下部連梁的破壞嚴(yán)重程度明顯高于上部，隨著時程進(jìn)展，呈現(xiàn)由下部往上部發(fā)展的趨勢；通過框架梁、連梁進(jìn)入塑性，消耗了大部分地震動輸入能量，并且削弱了結(jié)構(gòu)剛度，從而降低結(jié)構(gòu)的地震作用，保護(hù)了框支框架以及剪力墻等關(guān)鍵構(gòu)件的破壞。

從彈塑性時程分析結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)的整體塑性變形、關(guān)鍵構(gòu)件和普通豎向構(gòu)件的破壞程度不大，結(jié)構(gòu)可滿足“大震不倒”的預(yù)期性能目標(biāo)。

5 結(jié)構(gòu)專項(xiàng)分析

5.1 框支梁分析

框支框架為本項(xiàng)目的關(guān)鍵構(gòu)件，框支主梁承托上部剪力墻以及轉(zhuǎn)換次梁及其上部剪力墻，荷載重且受力復(fù)雜，有必要進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，以發(fā)現(xiàn)其受力特點(diǎn)，并采取針對性加強(qiáng)措施［8-9］。選取三層受力最不利的框支梁KZL1～KZL3，如圖2?所示，采用殼單元進(jìn)行中震下性能水準(zhǔn)2的應(yīng)力分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 框支梁應(yīng)力圖Fig.4 Stress Diagram of Frame Supported Beam

由計(jì)算結(jié)果可見，框支梁沿長度方向應(yīng)力分布類似“拉桿拱”，符合深梁的受力特征，應(yīng)力最大處位于轉(zhuǎn)換次梁KZL2與框支主梁KZL3的相交處，以及框支主梁KZL3相應(yīng)位置的梁底，最大拉應(yīng)力為33 MPa，相應(yīng)梁底按應(yīng)力配筋面積為318 cm2，實(shí)配縱筋7625，面積為373.16 cm2；最大剪應(yīng)力為2.2 MPa，按應(yīng)力配箍面積為110 cm2/m，實(shí)配箍筋14@100（12），面積為184.8 cm2/m，正截面和斜截面配筋均能滿足要求，且有一定富裕，能滿足“中震彈性”的抗震性能目標(biāo)。

5.2 中震樓板應(yīng)力分析

框支轉(zhuǎn)換層樓板為重要傳力構(gòu)件，不落地剪力墻的剪力需要通過轉(zhuǎn)換層樓板傳遞到落地剪力墻，樓板面內(nèi)受力復(fù)雜［6］，采用符合樓板實(shí)際剛度的計(jì)算模型進(jìn)行樓板應(yīng)力分析。

由計(jì)算結(jié)果可見，除了洞口角部應(yīng)力集中點(diǎn)外，拉應(yīng)力基本在0.1～2.2 MPa之間，均不超過C40混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.39 MPa?？紤]到轉(zhuǎn)換層樓板的重要性，框支層樓板厚度取200 mm，并采取加強(qiáng)樓板配筋的措施，配置12@150 雙層雙向通長底、面筋，對應(yīng)力集中部位，局部加密鋼筋，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換層樓板“中震彈性”的性能目標(biāo)［10］。

6 結(jié)構(gòu)抗震加強(qiáng)措施

根據(jù)本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及計(jì)算分析揭露的薄弱部位，采取以下抗震加強(qiáng)措施［11］：

⑴嚴(yán)格控制豎向構(gòu)件的軸壓比，提高延性性能，底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻豎向及水平分布筋除滿足計(jì)算要求外，最小配筋率提高至0.45%；

⑵框支框架為關(guān)鍵構(gòu)件，為提高其延性，采用型鋼-混凝土構(gòu)件，型鋼含鋼率不少于4%；

⑶根據(jù)動力彈塑性分析結(jié)果，對破壞程度較嚴(yán)重的連梁和框架梁，適當(dāng)加大截面并提高箍筋配箍率，防止發(fā)生斜截面脆性破壞；

⑷為保證水平力可靠傳遞，電梯井以及樓梯間周邊樓板加厚至150 mm，配置雙層雙向通長鋼筋網(wǎng)，配筋率不小于0.25%；

⑸底部加強(qiáng)部位剪力墻以及中震作用下小偏心受拉墻肢的抗震等級提高至特一級；

⑹中震下墻肢平均名義拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值時，剪力墻增置型鋼以承擔(dān)拉力。

7 結(jié)論

⑴ 本項(xiàng)目采用鋼筋混凝土框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)選型合理，受力體系明確；

⑵采用YJK和ETABS對結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震下的對比計(jì)算分析，結(jié)構(gòu)周期、位移比、剛度比等各項(xiàng)整體指標(biāo)滿足文獻(xiàn)［6］要求，構(gòu)件截面和配筋在合理范圍；

⑶采用擬彈性的計(jì)算方法，進(jìn)行中震和大震下的性能分析，整體結(jié)構(gòu)以及各類構(gòu)件均能滿足預(yù)定的抗震性能目標(biāo)；

⑷對結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震下的動力彈塑性時程分析，并針對揭露的薄弱部位和構(gòu)件采取了適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)措施，整體結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)“大震不倒”的性能要求；

⑸對框支框架、轉(zhuǎn)換層樓板等進(jìn)行了專項(xiàng)分析，并采取了針對性加強(qiáng)措施，以確保結(jié)構(gòu)安全。