王舜奇 宋 剛 宋化為

1 工程概況

武漢市江岸區(qū)某項(xiàng)目由于地處城區(qū)中心繁華地段，業(yè)主方擬建為超高層住宅，該項(xiàng)目高層主體結(jié)構(gòu)高度約為170 m，地上層數(shù)為58層，為全現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。為了保證本工程建筑方案的順利實(shí)施及更好的控制本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和經(jīng)濟(jì)性，我公司按目前方案進(jìn)行了結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，并與武漢市近年來(lái)設(shè)計(jì)的類似項(xiàng)目綜合比較。

本工程方案平面寬度約為34.7 m，寬度約為19.9 m，地上1層高度約為4.5 m，標(biāo)準(zhǔn)層層高約為2.9 m，結(jié)構(gòu)總高度約170 m，屬于《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定的B級(jí)高度高層建筑，需進(jìn)行超限高層專項(xiàng)審查。本工程高寬比達(dá)到8.5左右，超過(guò)B級(jí)高度高寬比限制，對(duì)結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性有一定影響。

2 自然條件

根據(jù)武漢市《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)建設(shè)工程抗震設(shè)防要求管理的通知》(武震辦［2007］4號(hào))，本工程需進(jìn)行場(chǎng)地地震安全性評(píng)估，在無(wú)評(píng)估報(bào)告前暫按地震小區(qū)劃參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，本工程位于ⅢA區(qū)，對(duì)應(yīng)于50年超越概率63%，10%和2%的地表水平向設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度反應(yīng)譜(5%阻尼比)參數(shù)值如表1所示。

表1 水平向設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度反應(yīng)譜參數(shù)值

按B級(jí)高度結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)要求，本工程剪力墻抗震等級(jí)為二級(jí)。

風(fēng)荷載取值按100年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓為0.40 kN/m2，地面粗糙度類別為D類。風(fēng)荷載體形系數(shù)取1.42(按高規(guī)附錄A計(jì)算為1.42)。由于周邊規(guī)劃方案暫不明確，風(fēng)荷載計(jì)算時(shí)暫不考慮相互干擾增大系數(shù)。

3 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)平面圖見(jiàn)圖1。

3.1 結(jié)構(gòu)布置

由于本工程平面寬度較小，為滿足結(jié)構(gòu)水平位移限值要求及舒適度要求，需要有足夠的抗側(cè)剛度，而建筑平面中縱橫內(nèi)墻基本沒(méi)有對(duì)齊，給結(jié)構(gòu)布置帶來(lái)一定難度。通過(guò)大量的電算比較，我們采取了以下措施:

1)在中部電梯井筒及分隔墻處適當(dāng)設(shè)置較長(zhǎng)的豎向剪力墻，不過(guò)該處剪力墻剛度過(guò)大將導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，需反復(fù)調(diào)整，并適當(dāng)加大兩側(cè)山墻剪力墻厚度(增加50 mm)，方可使整體結(jié)構(gòu)取得了較好的抗側(cè)能力及抗扭能力，經(jīng)計(jì)算此平面剛度中心與質(zhì)量中心均基本重合。

2)平面右端戶型由于建筑功能需要設(shè)有外挑通窗，且由于該處位于客廳不宜設(shè)梁，導(dǎo)致右側(cè)山墻處剪力墻間無(wú)法形成整體剛度，是結(jié)構(gòu)變形的薄弱部位，因此該部位剪力墻采用增設(shè)水平翼墻、形成局部筒體的方式予以加強(qiáng)。

3)沿外墻設(shè)置高連梁以加強(qiáng)整體性控制扭轉(zhuǎn)。

經(jīng)計(jì)算調(diào)整后，結(jié)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)層墻厚及混凝土等級(jí)如表2所示。

圖1 結(jié)構(gòu)平面圖

表2 結(jié)構(gòu)層墻厚及混凝土等級(jí)

內(nèi)外墻截面根據(jù)軸壓比及剛度均勻漸變的原則從下到上逐漸減小，并與混凝土強(qiáng)度等級(jí)變化樓層錯(cuò)開(kāi)。

主要框架梁截面高度500 mm。

外墻高連梁截面高度1 350 mm(上翻900 mm)。

3.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

1)計(jì)算軟件分別采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院的SATWE和Midas Building2009軟件進(jìn)行三維空間結(jié)構(gòu)有限元整體計(jì)算比較，經(jīng)SATWE及Midas計(jì)算后的主要結(jié)果如表3所示。

2)風(fēng)荷載作用分析及舒適度計(jì)算。

由于本工程結(jié)構(gòu)高度較高且高寬比較大，風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移有顯著影響，需考慮多種風(fēng)荷載作用下的模型計(jì)算:

a.按100年重現(xiàn)期風(fēng)壓作用計(jì)算，考慮連梁剛度折減系數(shù)0.8，驗(yàn)算100年一遇風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)層間位移角，控制結(jié)構(gòu)位移、層間位移角滿足規(guī)范要求;

b.按50年重現(xiàn)期風(fēng)壓作用計(jì)算，不考慮連梁剛度折減，計(jì)算結(jié)果表明，此工況作用下絕大多數(shù)連梁未出現(xiàn)超筋情況;

c.按10年重現(xiàn)期基本作用驗(yàn)算結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的最大加速度，按高規(guī)規(guī)定，高度超過(guò)150 m的高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的使用條件，滿足舒適度的要求。由于高規(guī)未給出計(jì)算公式，此處暫按高鋼規(guī)相關(guān)公式計(jì)算:

順風(fēng)向頂點(diǎn)最大加速度:aw=0.044 m/s2＜0.150 m/s2;

橫風(fēng)向頂點(diǎn)最大加速度:atr=0.081 m/s2＜0.150 m/s2;

均滿足規(guī)范的要求。

表3 經(jīng)SATWE及Midas計(jì)算后的主要結(jié)果

3)彈性時(shí)程分析補(bǔ)充計(jì)算。

本工程采用SATWE程序進(jìn)行彈性時(shí)程分析，由于本工程暫無(wú)安評(píng)報(bào)告，參考CECS 160∶2004建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計(jì)通則，選用PKPM提供的兩條適用于Ⅱ類場(chǎng)地的實(shí)際記錄地震波(TAF-2，ELC-3)及一條人工波(RH1TG040)。峰值加速度取35gal，地震波的持續(xù)時(shí)間均大于結(jié)構(gòu)基本自振周期的5倍，時(shí)間間隔為0.02 s，滿足規(guī)范的要求。

由彈性時(shí)程分析的結(jié)果顯示，每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，三條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%，均滿足規(guī)范的要求。另外，綜合反應(yīng)譜和時(shí)程分析的結(jié)果可以看到，結(jié)構(gòu)上部十多層的時(shí)程響應(yīng)要略大于反應(yīng)譜結(jié)果，設(shè)計(jì)時(shí)這些樓層將按照時(shí)程分析的結(jié)果進(jìn)行地震力放大。

4)抗震性能化設(shè)計(jì)。

新抗規(guī)中已經(jīng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能化設(shè)計(jì)提出了相關(guān)要求，由于本工程屬超限高層，在考慮基于結(jié)構(gòu)性能的抗震設(shè)計(jì)中，針對(duì)不同水準(zhǔn)的地震作用，采用不同的性能目標(biāo)，擬采用以下計(jì)算方式實(shí)現(xiàn):

a.小震下，結(jié)構(gòu)滿足彈性設(shè)計(jì)要求，全部構(gòu)件的抗震承載力和結(jié)構(gòu)層間位移均需滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于彈性工作狀態(tài)。b.中震下，結(jié)構(gòu)的薄弱部位和重要部位構(gòu)件(剪力墻底部加強(qiáng)區(qū))處于彈性工作狀態(tài)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)非線性分析時(shí)，允許有些選定的部位接近屈服階段，但不允許發(fā)生剪切等脆性破壞，各構(gòu)件細(xì)部構(gòu)造滿足中等延性要求。c.大震下，結(jié)構(gòu)重要部位的構(gòu)件(剪力墻底部加強(qiáng)區(qū))不屈服，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性分析，允許有些選定部位的構(gòu)件達(dá)到屈服階段，但應(yīng)滿足變形限制要求(樓層的最大層間位移角小于1/200)，不發(fā)生剪切等脆性破壞，各構(gòu)件的細(xì)部構(gòu)造滿足高延性要求。

4 工程實(shí)例對(duì)比

武漢市區(qū)近幾年來(lái)相繼建成了多棟類似高度的剪力墻結(jié)構(gòu)住宅，為了更好的優(yōu)化本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及相關(guān)審查的順利通過(guò)，我方收集了武漢市及外地類似項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)平面布置及控制參數(shù)以資比較，主要有以下三棟:

A棟:武昌區(qū)某超高層住宅。該項(xiàng)目地處武漢市武昌區(qū)徐東二路，由2棟地上53層住宅樓及出屋面4層小筒體構(gòu)成，總建筑面積約77 000 m2，地面以上總高178 m，屬B類高層建筑，結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。

B棟:武漢漢陽(yáng)某超高層住宅。該超高層建筑于漢陽(yáng)瀕臨長(zhǎng)江，交通方便，該建筑地下2層，地上55層，建筑總高度175.55 m，建筑總面積達(dá)55 209.3 m2。結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。

C棟:廣州珠江某超高層住宅。該工程塔樓均為地上44層(不包括出屋面小塔樓)，主體高138.15 m，首層層高5.35 m，往上各層均為3.05 m。地震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，建筑場(chǎng)地為Ⅱ類。主體采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。

1)平面尺寸及自然條件見(jiàn)表4。

表4 工程平面尺寸及自然條件

2)剪力墻混凝土等級(jí)見(jiàn)圖2。

圖2 剪力墻混凝土等級(jí)

3)主要剪力墻厚度見(jiàn)圖3。

圖3 主要剪力墻厚度

4)主要計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 主要計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上數(shù)據(jù)顯示，與其他項(xiàng)目相比，本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上具有如下特點(diǎn):

1)地震力及風(fēng)荷載等水平力作用在超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中起決定作用。與本地項(xiàng)目相比，C棟高層由于抗震設(shè)防烈度為7度且基本風(fēng)壓較大，因此剪力墻厚度及混凝土等級(jí)都較高，從水平位移參數(shù)來(lái)看與其他三棟控制基本相當(dāng)。在同抗震設(shè)防烈度情況下，本工程由于地處市中心，計(jì)算風(fēng)荷載作用時(shí)地面粗糙度類別為D類，對(duì)計(jì)算較為有利，受風(fēng)荷載控制作用較小;而A棟、B棟高層均以風(fēng)荷載作用下水平位移控制為主。2)由于本工程高寬比較大，剪力墻的布置方式、截面厚度、混凝土等級(jí)等受結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度需要影響較大。與本工程高寬比類似的B棟高層同樣布置了較多的Y向剪力墻，而且剪力墻截面厚度需要加厚，本工程底部標(biāo)準(zhǔn)層墻肢厚度為350 mm，B棟為400 mm;此時(shí)提高混凝土等級(jí)意義不大，最高混凝土等級(jí)為C55。A棟高層由于高寬比較小，剪力墻墻肢較短，剪力墻厚度受軸壓比控制影響較大，在提高混凝土等級(jí)為C60后，底部標(biāo)準(zhǔn)層墻體厚度可以做到300 mm。

5 建筑方案優(yōu)化建議

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，方案階段的優(yōu)化影響約占70%，因此如能在方案階段就考慮結(jié)構(gòu)形式的合理性和經(jīng)濟(jì)性，使建筑功能與結(jié)構(gòu)布置相結(jié)合，對(duì)本工程的順利實(shí)施有重要作用。根據(jù)我方的計(jì)算結(jié)果及比較，有以下幾條思路:

1)適當(dāng)加大平面寬度，減小高寬比，以有利于充分利用剪力墻豎向承載力，減少剪力墻數(shù)量;2)平面中內(nèi)橫隔墻需盡量對(duì)齊，以有利于發(fā)揮剪力墻的整體剛度，減小高寬比較大的不利影響;3)采用輕質(zhì)內(nèi)隔墻，減小結(jié)構(gòu)自重;4)改善平面右端外挑通窗處建筑布局，以便于對(duì)該薄弱部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

6 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)方案階段優(yōu)化設(shè)計(jì)是建立在大量的計(jì)算分析基礎(chǔ)上的，同時(shí)我們也借鑒了本地類似項(xiàng)目的成熟經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)比較最終確定了合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，得到了業(yè)主方的認(rèn)可，本項(xiàng)目已進(jìn)入施工圖設(shè)計(jì)階段。

［1］ 孟美莉，吳 兵，傅學(xué)怡.武漢水岸星城超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.廣東土木與建筑，2009(3):64-65.

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