保利天環(huán)花園超限工程結(jié)構(gòu)設(shè)計

姚一帆

（廣東海外建筑設(shè)計院有限公司，廣州 510000）

1 引言

現(xiàn)階段，高層建筑建設(shè)項目越來越多，在項目為了追求更完美的外形、 更舒適的內(nèi)部環(huán)境以及更寬敞的使用空間的情況下，有可能就會出現(xiàn)超限的高層建筑。 超限建筑一般指超過規(guī)范規(guī)定的結(jié)構(gòu)最大適用高度或不屬于普通結(jié)構(gòu)類型范圍的高層建筑工程， 也包括結(jié)構(gòu)體型嚴重不規(guī)則以及規(guī)范要求的必須通過抗震專項審查、專家論證的高層建筑工程。 對此，設(shè)計者通常利用過往的工程經(jīng)驗對超限建筑的抗震進行設(shè)計，再經(jīng)過專家的專項審查和論證，確保這類超限高層建筑安全[1]。

2 工程概況

保利天環(huán)花園項目位于順德區(qū)樂從鎮(zhèn)銀桂路以北、 萬寧路以南地塊。 總建筑面積368 886.73 m2，由15 棟塔樓、1~2 層地下室和1~2 層沿街商鋪組成。上部塔樓中，超高層住宅為50層，建筑高度約147.800 m。 按GB 50223—2008《建筑工程抗震設(shè)防分類標準》[2]，本項目抗震設(shè)防類別按丙類，抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計地震分組為第一組，設(shè)計基本地震加速度為0.1g，本場地類別為Ⅲ類，特征周期為0.45 s。 基本風壓為0.6 kN/m2，地面粗糙度為B 類，承載力計算時取基本風壓的1.1 倍。

2.1 結(jié)構(gòu)超限判別

結(jié)構(gòu)高度超過A 級高度，未超過B 級高度，根據(jù)相關(guān)文件，結(jié)構(gòu)存在3 項一般不規(guī)則，分別為：（1）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。 在考慮偶然偏心地震的規(guī)定水平力工況下，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比＞1.2，但＜1.4。 （2）凹凸不規(guī)則。 平面凹凸尺寸超出相應(yīng)邊長30%。（3）局部不規(guī)則。 由于建筑使用功能的要求，上部部分墻體需要在2 層進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換墻體比例為1.7%，＜10%，屬于局部轉(zhuǎn)換。 因此，本項目屬于房屋結(jié)構(gòu)高度超限且結(jié)構(gòu)體型特別不規(guī)則的高層建筑工程。

2.2 抗震性能目標

根據(jù)本工程的超限判別、結(jié)構(gòu)特征和經(jīng)濟合理性的要求，以及JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3]的規(guī)定，對抗震性能目標的劃分按以下要求： 本工程建筑抗震性能目標定為C 級，即小震滿足抗震性能水準1、中震滿足抗震性能水準3、大震滿足抗震性能水準4。

2.3 多遇地震分析結(jié)果

本工程采用SATWE 和MIDAS BUILDING 兩種軟件進行對比計算。

經(jīng)過分析，在多遇地震及風荷載的作用下：（1）兩種軟件SATWE 和MIDAS BUILDING 分析的各項結(jié)果均具備相似性和規(guī)則性，說明分析模型準確。 （2）結(jié)構(gòu)各項控制指標均在有效區(qū)間之內(nèi)，滿足規(guī)范相關(guān)要求，結(jié)構(gòu)具有合適的剛度和承載力。 （3）彈性時程分析的時程波與規(guī)范反應(yīng)譜在正態(tài)分布上統(tǒng)計相符，分析結(jié)果滿足要求。 由此表明：多遇地震及風荷載作用下，各項設(shè)計控制結(jié)果均滿足性能水準1 的抗震性能目標。

2.4 設(shè)防烈度地震作用分析

根據(jù)抗震性能目標， 為了判別結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度地震作用下抵抗地震力的性能， 對本工程進行中震彈性及中震不屈服計算分析。

2.4.1 基底剪力對比

中震與小震基底剪力之比在2.8 左右，由此表明：中震地震作用量級合理，設(shè)計參數(shù)正確。

2.4.2 剪力墻受彎驗算

根據(jù)JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》要求，取地下2~4 層為約束邊緣構(gòu)件，5 層~ 屋面層為構(gòu)造邊緣構(gòu)件。 小震時剪力墻邊緣構(gòu)件及墻身配筋均為構(gòu)造配筋，因此，進行中震剪力墻受彎驗算時，取墻身配筋為0.25%，約束邊緣構(gòu)件縱筋配筋率為1.2%，構(gòu)造邊緣構(gòu)件配筋率為0.9%。

取典型墻肢直墻段，利用XTRACT 軟件對墻身進行受彎驗算，均滿足規(guī)范規(guī)定。

2.4.3 剪力墻受剪驗算

按JGJ 3—2010 《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》7.2.7 對剪力墻剪壓比和受剪承載力進行驗算。 結(jié)果表明，作為關(guān)鍵構(gòu)件的底部加強區(qū)剪力墻墻肢剪壓比及受剪承載力均滿足中震彈性的性能目標， 普通豎向構(gòu)件的非底部加強區(qū)剪力墻的相關(guān)計算結(jié)果也均滿足中震不屈服的性能目標。

2.4.4 剪力墻受拉驗算

墻肢名義拉應(yīng)力為截面軸力與截面面積的比值， 即截面的平均拉應(yīng)力。 中震不屈服工況下墻肢分析結(jié)果顯示，僅底部和頂部少量墻肢出現(xiàn)拉應(yīng)力，其他墻肢均未出現(xiàn)拉應(yīng)力。 受拉墻肢中最大軸拉比＜2，表示墻肢軸拉力＜2ftk（ftk為混凝土軸心抗拉強度標準值），表明剪力墻受拉滿足中震不屈服驗算。

2.4.5 框架梁與連梁受彎、受剪驗算

SATWE 中震不屈服分析結(jié)果顯示，多數(shù)框架梁和連梁滿足中震抗彎不屈服，僅局部構(gòu)件在局部樓層出現(xiàn)受彎屈服，所有層的框架梁和連梁均未出現(xiàn)抗剪屈服。 施工圖階段按小震和中震的包絡(luò)值進行設(shè)計，能夠滿足框架梁、連梁預(yù)定的性能指標。

2.4.6 設(shè)防烈度地震分析結(jié)論

綜上分析，在設(shè)防烈度地震作用下：（1）中震與小震基底剪力之比約為2.8，表明地震作用數(shù)量級合理。 （2）剪力墻的底部加強區(qū)均滿足受彎不屈服，受剪為彈性；非底部加強區(qū)滿足受剪與受彎不屈服。 僅底部和頂部少量墻肢出現(xiàn)拉應(yīng)力，名義拉應(yīng)力＜2ftk。（3）連梁、框架梁少量出現(xiàn)受彎屈服，但受剪不屈服，滿足預(yù)定性能目標。 個別連梁通過采取加設(shè)交叉斜筋的加強措施滿足規(guī)范剪壓比限值要求。 由此表明，各項設(shè)計控制結(jié)果在中震作用的情況下，均達到性能水準3 的抗震性能目標。

3 罕遇地震下動力彈塑性時程分析

JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中5.1.13 條規(guī)定 “B 級高度的高層建筑、混合結(jié)構(gòu)和復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)，宜采用彈塑性靜力或彈塑性動力分析方法補充計算”。 本工程的結(jié)構(gòu)高度超過了JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》表3.3.1-2 中B 級最大適用高度,屬于一般不規(guī)則結(jié)構(gòu)，有必要了解結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的性態(tài)。

3.1 分析模型與參數(shù)選取

本工程選用了MIDAS BUILDING 系列軟件中的結(jié)構(gòu)大師軟件（STRUCTURE MASTER 2014）進行罕遇地震作用下的動力彈塑性時程分析。

本工程進行彈塑性時程分析時， 從彈性時程分析的地震動波形中選用了地震動響應(yīng)與本工程相接近的兩條記錄波DZ1、DZ3 及人工模擬波RG1。 地震波的加載采用雙向加載。

3.2 計算結(jié)果分析

3.2.1 基底剪力

動力彈塑性基底剪力與小震彈性時程分析基底剪力之比為3.61~4.73，表明動力彈塑性分析基底剪力數(shù)量級合理。動力彈塑性分析基底剪力與大震彈性時程分析基底剪力比值在0.58~0.76，表明地震能量得到有效耗散。

3.2.2 層間位移角

各工況下樓層最大層間位移角均滿足1/120 的限值。表明結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下仍具有足夠的剛度，大震不倒，能滿足相應(yīng)的性能目標。

經(jīng)過分析結(jié)果，在罕遇地震作用下：（1）作為主要抗側(cè)力構(gòu)件的剪力墻混凝土纖維未出現(xiàn)拉壓屈服， 只有極少部分發(fā)生剪切屈服，比例為0.6%~4.7%。 鋼筋纖維部分受拉屈服，未出現(xiàn)剪切屈服。 （2）作為主要耗能構(gòu)件的連梁，首先在底部出現(xiàn)剪切屈服，然后向頂部擴展，工況結(jié)束時，約有40%的連梁發(fā)生剪切屈服。 （3）作為耗能構(gòu)件的框架梁先在底部出現(xiàn)彎曲屈服，然后向頂部擴展，工況結(jié)束時多數(shù)框架梁在第一屈服狀態(tài)，只有底部和頂部少量框架梁進入第二屈服狀態(tài)，未有框架梁進入第三屈服狀態(tài)。

3.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件薄弱部位分析

由于本結(jié)構(gòu)平面呈蝶形，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，核心筒區(qū)域是連接各子區(qū)塊的重要樞紐，因此，核心筒部位受力相對較大，連梁多發(fā)生5 級屈服。

為保證核心筒連接的作用，延緩連梁的屈服，在施工圖階段對受力較大、連梁屈服較嚴重的樓層，核心筒連梁增設(shè)交叉斜筋，保證連梁的強剪弱彎性能。 同時將核心筒區(qū)域板厚增加至180 mm，并雙層雙向配筋，保證在罕遇地震作用下核心筒樓板的樞紐作用。

3.4 分析結(jié)論

通過分析結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的動力彈塑性時程指標，結(jié)合整體反應(yīng)結(jié)果和各個結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能分析，綜合后可以得出如下結(jié)論：（1）結(jié)構(gòu)層間彈塑性位移角均比規(guī)范限值要求小，剪力墻和框架柱等主要抗側(cè)力構(gòu)件沒有發(fā)生嚴重破壞，局部構(gòu)件存在少量屈服， 但少量的局部構(gòu)件屈服不會危及結(jié)構(gòu)的整體安全或產(chǎn)生倒塌，結(jié)構(gòu)的整體性優(yōu)良，可滿足 “大震作用下不倒” 的抗震性能目標要求。 （2）剪力墻混凝土受壓沒有超過抗壓強度，鋼筋拉壓沒有彎曲屈服，均處于彈性應(yīng)力狀態(tài)；個別墻肢局部受剪屈服，但比例較小，受剪截面經(jīng)復(fù)核計算后，能滿足性能目標要求，不會出現(xiàn)墻肢整體在剪力作用下的屈服和破壞。 （3）多數(shù)樓層框架梁兩端的區(qū)域進入彎曲屈服狀態(tài)，框架梁未發(fā)生剪切屈服，部分連梁發(fā)生剪切屈服，結(jié)構(gòu)的耗能體系設(shè)計情況良好。

由此表明： 對于罕遇地震作用下性能水準4 的抗震性能目標，各項設(shè)計控制指標均能滿足。

4 轉(zhuǎn)換構(gòu)件專項分析

由于建筑使用功能的要求， 本工程存在局部剪力墻不直接落地，在2 層轉(zhuǎn)換的情況，轉(zhuǎn)換率為1.7%，屬于局部轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換層層高5.4 m，采用框支梁作為轉(zhuǎn)換構(gòu)件，框支梁尺寸為1 400 mm×1 700 mm，1 200 mm×1 700 mm 和800 mm×1 700 mm，框支柱尺寸為1 100 mm×1 400 mm，混凝土強度等級均為C55，周邊板厚200 mm。

4.1 設(shè)防烈度地震分析

1）框支柱正截面承載力驗算：此過程與剪力墻相同，利用XTRACT 軟件對框支柱進行受彎承載力驗算。可以看出，框支柱受彎滿足受彎中震彈性的性能目標。

2）框支柱斜截面承載力驗算：結(jié)果表明，框支柱受剪滿足中震彈性的性能目標。

4.2 罕遇地震分析

根據(jù)罕遇地震作用下轉(zhuǎn)換梁的應(yīng)力分析結(jié)果， 經(jīng)核查均未出現(xiàn)塑性鉸，轉(zhuǎn)換梁滿足大震不屈服的性能目標。

5 結(jié)語

結(jié)構(gòu)類型和結(jié)構(gòu)體系的準確選擇、 合理布置是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的首要因素，它關(guān)系到結(jié)構(gòu)的整體剛度、抗震抗風能力、造價指標，以及施工周期等問題。 對結(jié)構(gòu)加強概念設(shè)計，采用不同程序?qū)Ρ扔嬎惴治?，采取適當?shù)目拐鸺訌姶胧?，可以有效解決超限高層建筑存在的結(jié)構(gòu)難點和相關(guān)問題， 保證結(jié)構(gòu)的安全。 本工程設(shè)計中對結(jié)構(gòu)高度超過A 級高度的高層建筑工程的超限分析計算思路和分析方法， 對其他類似的超限結(jié)構(gòu)設(shè)計也具有一定的參考意義。