江陰某超限高層住宅結(jié)構(gòu)設計與分析

劉玉

（江蘇省建筑設計研究院股份有限公司，南京 210019）

1 工程概況

本工程位于江陰市城市客廳C 區(qū)域A 地塊，總建筑面積為24.1 萬m2，地上總建筑面積18.3 萬m2。地上6#、9#、10#、11#樓為15～34 層的高層住宅樓，12#、13#樓為7 層商辦樓，8#樓為46 層的超高層住宅樓。地上各棟單體通過地下停車庫連成一整體，地下1 層層高為3.4 m。8#樓及南側(cè)局部設置兩層地下室，地下2 層層高為3.4 m，地下1 層層高為5.45 m（含夾層，夾層層高為2.75 m）。

8#樓位于場地東北側(cè)，地上由兩棟左、右對稱單元組成，左右單元設置抗震縫，形成獨立的結(jié)構(gòu)單體，縫凈寬度不小于400 mm，均采用剪力墻結(jié)構(gòu)，標準層層高3.05 m，建筑高度均為140.95 m，單塔建筑平面長度為28.9 m，寬度為22.2 m。建筑效果圖如圖1 所示。

圖1 建筑效果圖

本工程結(jié)構(gòu)設計使用年限為50 年，抗震設防類別為標準設防（丙類），結(jié)構(gòu)安全等級為二級，地基基礎設計等級為甲級，建筑樁基設計等級為甲級，抗震設防烈度為6 度(0.05g)，場地類別為Ⅳ類，場地特征周期0.75 s。基本風壓0.45 kN/m2，按此基本風壓的1.1 倍進行結(jié)構(gòu)承載力計算，風載體型系數(shù)為1.54（考慮周邊建筑風力干擾系數(shù)1.1）[1]。地面粗糙度為B 類。

2 結(jié)構(gòu)方案

本工程采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。根據(jù)建筑平面使用功能的要求合理布置剪力墻，以達到傳力明確、有效抵抗地震力和風荷載的效果。

剪力墻沿高度方向連續(xù)，基礎頂～27 層樓面剪力墻厚300 mm，27 層～屋面剪力墻厚200 mm。夾層樓板（-2.75 m）作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位，地下室頂板（-0.07 m）考慮實際嵌固作用，板厚均不小于180 mm，配筋率均不小于0.25%。塔樓標準層樓板厚度120 mm，衛(wèi)生間和陽臺板厚90 mm。剪力墻混凝土強度等級從C60 漸變?yōu)镃30，其余梁板混凝土強度等級均為C35。標準層結(jié)構(gòu)平面布置如圖2 所示。

圖2 8#樓標準層結(jié)構(gòu)平面圖

3 結(jié)構(gòu)超限判別

根據(jù)JGJ 3—2010 《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]（以下簡稱《高規(guī)》），以及《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術(shù)要點》（建質(zhì)[2015]67 號）中對不規(guī)則項指標的相關(guān)規(guī)定，本工程主體結(jié)構(gòu)屋面標高為140.95 m，抗震設防烈度超過6度區(qū)A 級高度剪力墻結(jié)構(gòu)最大適用高度限值140 m，但未超過B 級高度170 m，故為B 級高度超高層。此外，本工程建筑的高寬比為6.41，超過6 度區(qū)全部落地剪力墻最大高寬比6限值，高寬比超限。

本工程還存在考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2、小于1.4 的扭轉(zhuǎn)不規(guī)則項。

根據(jù)本工程的超限程度，結(jié)合超限審查專家意見，確定剪力墻為關(guān)鍵構(gòu)件。具體抗震性能目標如表1 所示。

表1 結(jié)構(gòu)抗震性能目標

4 結(jié)構(gòu)計算及分析結(jié)果

4.1 小震下的反應譜分析

根據(jù)《高規(guī)》5.1.12 條規(guī)定，本工程主體結(jié)構(gòu)采用PKPM和MIDAS 兩種不同力學模型軟件進行計算，并對計算結(jié)果進行比較分析。計算地震作用時，采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)振動影響的振型分解反應譜法，并考慮±5%偶然偏心和雙向水平地震作用（兩者不同時考慮）。兩種軟件中材料力學參數(shù)和地震參數(shù)設置均一致。夾層樓板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端，帶入地下室相關(guān)范圍進行上部結(jié)構(gòu)計算。兩種軟件的計算結(jié)果對比如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)總體指標計算結(jié)果對比

通過對比分析，兩個不同計算內(nèi)核的結(jié)構(gòu)分析軟件計算結(jié)果相近，說明模型及計算結(jié)果是合理且有效的，計算模型符合結(jié)構(gòu)實際工作狀態(tài)，可作為結(jié)構(gòu)設計依據(jù)；結(jié)構(gòu)設計采用PKPM 軟件計算結(jié)果可靠，能夠滿足多遇地震下的安全要求。

4.2 彈性動力時程分析

本工程采用PKPM 對建筑結(jié)構(gòu)進行了彈性動力時程分析。作為多遇地震下的補充計算，選用PKPM 自帶的兩條人工波和五條天然波，地震波反應譜與規(guī)范反應譜對比如圖3所示。

圖3 所選地震波反應譜與規(guī)范反應譜對比圖

結(jié)果表明，每條時程分析曲線計算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力均大于振型分解反應譜法計算結(jié)果的65%，7 條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值大于振型分解反應譜法計算結(jié)果的80%，彈性時程分析結(jié)果滿足規(guī)范要求；位移曲線無較大突變，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較為均勻，結(jié)構(gòu)體系無明顯薄弱層；時程反應包絡值接近反應譜計算結(jié)果，X向、Y向最大層間位移角均滿足規(guī)范的限值要求。7 條時程曲線分析得出的局部樓層剪力平均值略大于反應譜分析結(jié)果，設計時對反應譜法計算所得的地震剪力局部樓層應按比例進行放大。

4.3 結(jié)構(gòu)抗震性能化設計

按照設定的性能目標要求，采用SATWE 軟件進行中震及大震作用下構(gòu)件承載力驗算，以確定其達到設定的性能目標要求。計算分析時，均不需考慮風荷載作用、地震力調(diào)整、偶然偏心及活荷載不利布置，周期折減系數(shù)和中梁剛度放大系數(shù)均取1.0。連梁剛度折減系數(shù)中震取0.4，大震取0.25；地震影響系數(shù)最大值中震取0.12，大震取0.28；阻尼比中震取0.05，大震取0.075；場地特征周期中震取0.75 s，大震取0.80 s。其余參數(shù)由軟件根據(jù)性能目標自動處理。

通過對底部加強部位墻肢中震不屈服計算，各墻肢拉應力均小于混凝土抗拉強度標準值ftk，滿足規(guī)范要求。底部加強區(qū)剪力墻抗剪、抗彎鋼筋均按中震彈性計算，墻肢未出現(xiàn)超筋超限現(xiàn)象。在加強區(qū)以上二層設置過渡層，按底部加強區(qū)要求，并和小震計算結(jié)果進行包絡。中震下出現(xiàn)小偏心受拉的墻肢按特一級抗震構(gòu)造設計。通過對剪力墻大震不屈服計算，剪力墻墻肢截面可以滿足抗剪截面控制要求。

4.4 彈塑性靜力推覆分析

根據(jù)《高規(guī)》，高度不超過150 m 的高層建筑，可采用靜力彈塑性分析方法。本工程塔樓高度為140.95 m，平面較規(guī)則，可采用彈塑性靜力分析法，選用PKPM 的PUSH&EPDA 彈塑性靜力分析模塊作為分析工具。

計算結(jié)果表明，罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)最大彈塑性層間位移角為1/284，滿足規(guī)范1/120 的位移角限值要求。

從梁、墻破壞鉸圖可以看出，罕遇地震作用下，整個結(jié)構(gòu)連梁首先產(chǎn)生塑性鉸，且進入塑形階段的時間也比較早，分布也比較廣泛，發(fā)揮了較大的耗能能力；墻產(chǎn)生塑性鉸的數(shù)量很少，主要分布在底部加強區(qū)，損傷程度較小，滿足“大震不倒”的設防目標。結(jié)構(gòu)設計時，適當?shù)靥岣叩撞考訌妳^(qū)墻體的配筋率，以提高結(jié)構(gòu)的整體性能。

5 針對結(jié)構(gòu)超限采取的加強措施

為提高結(jié)構(gòu)具有很好的承載能力和延性，針對本工程超限情況，結(jié)構(gòu)設計主要采取以下加強措施。

1）合理布置結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件，減小質(zhì)心與剛心的偏差，降低結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的不利影響；加強外圍剛度，外圍墻體開洞處采用強連梁連接，提高結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)能力。

2）提高墻體配筋率，底部加強區(qū)剪力墻墻身豎向和水平分布鋼筋配筋率提高至0.30%；在6～7 層設置2 層過渡層，過渡層的剪力墻配筋同約束邊緣構(gòu)件；過渡層以上構(gòu)造邊緣構(gòu)件配筋率提高至0.7%；剪力墻配筋采用小震和中震分析結(jié)果包絡設計。

3）嚴格控制地上塔樓間抗震縫寬度不小于400 mm，滿足中震彈性結(jié)構(gòu)變形要求，以提高結(jié)構(gòu)的抗震安全性。

4）針對高寬超限，采用兩種不同力學模型軟件對小震和風荷載作用下的結(jié)構(gòu)抗傾覆驗算，保證基礎底面與地基之間不出現(xiàn)零應力區(qū)。

6 結(jié)語

本工程屬于高寬比超限的B 級高度高層建筑，存在1 個不規(guī)則項，沒有特別不規(guī)則項?？拐鹪O防烈度6 度區(qū)基本風壓較大，結(jié)構(gòu)小震下地震反應小于風荷載反應。在結(jié)構(gòu)設計時，采用兩種不同力學模型的空間分析軟件SATWE 與MIDAS對整體結(jié)構(gòu)進行彈性計算，并進行對比分析，各項指標均滿足規(guī)范相關(guān)要求。針對超限，依據(jù)不同性能目標對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行小、中、大震分析，并采取加強措施。論文分析結(jié)果表明，本工程主體結(jié)構(gòu)體系安全可行，結(jié)構(gòu)設計合理，計算結(jié)果滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，符合“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震性能目標。