摘 要：文章介紹了湖南某公寓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該工程施工平面狹長(zhǎng)，采用以下技術(shù)措施控制扭轉(zhuǎn)：偏心調(diào)整質(zhì)量和剛度中心；通過增加外圍連梁高度以提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度；適當(dāng)削弱結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度。有些剪力墻連梁采用雙連梁設(shè)計(jì)解決超筋問題。此外，描述了結(jié)構(gòu)體系認(rèn)定，抗震加固措施等關(guān)鍵問題。

關(guān)鍵詞：超高層建筑；框-剪體系；扭轉(zhuǎn)控制；雙連梁

1工程概況

湖南某建筑由多棟高層及超高層公寓組成。其中公寓 C棟 為 139.5m 高、地上 42 層的公寓，結(jié)構(gòu)體系為框架-剪力墻，為B級(jí)高度超限高層建筑。公寓、裙房及大地下室車庫部分地下3層，公寓建筑與裙房在地面以上設(shè)置防震縫，形成相互獨(dú)立的抗震結(jié)構(gòu)單元，所有單體在首層及地下層連為整體。工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，設(shè)計(jì)使用年限為50年。建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。

2結(jié)構(gòu)選型

2.1地基基礎(chǔ)

建筑基礎(chǔ)為樁筏基礎(chǔ)，采用直徑800mm的鉆孔灌注樁，樁基持力層選用層⑨2（圓礫層）。樁長(zhǎng)38m，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí) C40，采用樁端后注漿技術(shù)，注漿后樁承載力提高25%～30%，單樁抗壓承載力特征值5050kN，控制地基土的承載力接近樁身混凝土的強(qiáng)度。建筑下基礎(chǔ)底板厚度2.7m，樁基計(jì)算最大沉降量130mm。裙房部分基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁 + 獨(dú)立承臺(tái)基礎(chǔ)，獨(dú)立承臺(tái)1300mm厚，承臺(tái)間設(shè)900×1300的基礎(chǔ)梁，裙房底板800mm厚。地下室面積較大，平面尺寸約180m×200m。采取如下措施避免溫度裂縫： 按規(guī)范要求設(shè)置沉降后澆帶、溫度后澆帶； 整個(gè)地下室均采用補(bǔ)償收縮混凝土； 施工過程中采取有效的施工養(yǎng)護(hù)措施；地下室各層樓板考慮溫度應(yīng)力并計(jì)算配筋等。

2.2結(jié)構(gòu)體系

結(jié)構(gòu)布置上均利用建筑物每個(gè)單元的樓梯電梯井道布置剪力墻，在其他位置布置框架柱，共同形成鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。剪力墻為主要的抗側(cè)力構(gòu)件，框架梁柱則組成了第二道抗側(cè)力防線。建筑結(jié)構(gòu)高度139. 5m，超過框-剪體系A(chǔ)級(jí)高度最大適用高度130m，在B級(jí)高度160m的限值以內(nèi)，屬于B級(jí)高度超限高層。建筑的兩端加設(shè)剪力墻，可改善結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)性能，同時(shí)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度。

C棟建筑主要墻體截面在公寓標(biāo)準(zhǔn)層處為250～350mm厚，首層～層6樓面因?qū)痈咻^高，剛度相對(duì)較弱，墻體厚度適當(dāng)加厚為350～500mm。框架柱隨高度增加截面逐漸減小。樓板厚度屋面采用120mm，公寓標(biāo)準(zhǔn)層110mm（局部大開間適當(dāng)加厚，剪力墻芯筒內(nèi)為140mm），裙房層為120厚。首層樓板200厚，以滿足嵌固層的構(gòu)造要求。

核心筒周邊剪力墻墻厚從下到上為500mm～300mm，筒內(nèi)剪力墻厚度為400mm、200mm。建筑C棟的墻柱在地上層6樓面以下采用 C60級(jí)混凝土； 在層6樓面～層36樓面間采用 C50級(jí)混凝土；在層36以上采用 C40級(jí)混凝土。梁板采用 C35級(jí)混凝土。

3結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1反應(yīng)譜分析

基本風(fēng)壓=0.50kN/m2（100年一遇），地面粗糙度為B類?？拐鹪O(shè)防烈度6度，建筑抗震設(shè)防類別為丙類，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，場(chǎng)地類別為 III 類，場(chǎng)地特征周期值=0.45s，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05。框架及剪力墻的抗震等級(jí)均為二級(jí)。

結(jié)構(gòu)分析采用 SATWE 和 ETABS 兩種不同力學(xué)模型的三維空間分析軟件進(jìn)行整體計(jì)算。采用彈性方法計(jì)算結(jié)構(gòu)在荷載和多遇地震作用下內(nèi)力和位移，并考慮平扭耦連和效應(yīng)，表1是建筑的主要分析結(jié)果。結(jié)構(gòu)前3階振型見圖1，結(jié)構(gòu)前兩階振型分別為沿X和沿Y方向的平動(dòng)，第3階振型為扭轉(zhuǎn)振型，結(jié)構(gòu)第1扭轉(zhuǎn)周期與第1平動(dòng)周期之比=0.75<0.85，滿足規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的各樓層剪力曲線基本光滑。樓層側(cè)向剛度變化滿足“各層側(cè)向剛度大于相鄰上一層樓層側(cè)向剛度的70% 與相鄰三層側(cè)向剛度的80% 的較小者”，無明顯結(jié)構(gòu)薄弱層。

圖 1 結(jié)構(gòu)前 3 階振型

結(jié)構(gòu) X 向在地震作用下的位移大于風(fēng)荷載作用下的位移，地震作用最大層間位移角為1/1705；Y 向風(fēng)荷載作用下的位移大于地震作用下的位移，風(fēng)荷載作用下最大層間位移角為1/1017。結(jié)構(gòu)在地震荷載、風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)層間位移角均滿足規(guī)范1/800要求。

考慮±5%偶然偏心的結(jié)構(gòu)最大層間位移（或最大水平位移）與平均層間位移（或平均位移）之比最大值為1.34，超過1.2但小于1.4。結(jié)構(gòu)分析時(shí)考慮效應(yīng)，結(jié)構(gòu)頂部風(fēng)荷載作用下舒適度滿足規(guī)范要求。

3.2彈性時(shí)程分析

工程彈性動(dòng)力時(shí)程分析時(shí)采用 SATWE 程序內(nèi)置的設(shè)計(jì)特征周期值為0.45s 的人工地震波RH1TG045和實(shí)測(cè)地震波 TH2TG045、TH3TG045進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。地震波按照雙向輸入，其加速度最大值按1（主方向）：0.85（次方向）的比例調(diào)整。彈性時(shí)程計(jì)算結(jié)果與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表2，從表2可知： 三條地震波計(jì)算下，建筑底部剪力均大于 CQC 法的65%，底部剪力平均值大于CQC 法的80% ，滿足規(guī)范要求，彈性時(shí)程計(jì)算結(jié)果與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果基本一致。

4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題

4.1結(jié)構(gòu)體系的認(rèn)定

建筑平面上布置三個(gè)由電梯、樓梯間組成的豎向交通單元，結(jié)構(gòu)上利用豎向交通單元設(shè)置剪力墻，從平面上看結(jié)構(gòu)體系很像框架-核心筒體系，但仔細(xì)分析結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理后將本工程定性為框-剪體系?？蚣?核心筒結(jié)構(gòu)與框-剪結(jié)構(gòu)最大區(qū)別是：框架-核心筒結(jié)構(gòu)的筒體在水平力作用下必須保證空間整體截面工作，即筒體截面基本上是符合平截面變化規(guī)律； 框-剪結(jié)構(gòu)的剪力墻雖然協(xié)同工作，但由于墻體較為分散，多數(shù)情況下不是平截面變化的。

《高規(guī)》針對(duì)框架-核心筒的特點(diǎn)提出： 框架-核心筒的設(shè)計(jì)在計(jì)算和設(shè)計(jì)上除了按框-剪結(jié)構(gòu)要求外，核心筒宜貫通建筑物全高，寬度不宜小于筒體總高的1/12，應(yīng)有良好的整體性，墻肢宜均勻、對(duì)稱布置，筒體角部附近不宜開洞，當(dāng)不可避免時(shí)，筒角內(nèi)壁至洞口的距離不應(yīng)小于500mm和開洞墻的截面厚度等。

根據(jù)《高規(guī)》中的條文及其條文理解，若剪力墻墻體開洞多、墻肢距離大或連梁較弱而導(dǎo)致混凝土筒體在水平力作用下失去平截面整體工作性能時(shí)，不符合框架-核心筒的本質(zhì)特征，應(yīng)按剪力墻集中在平面中部的框-剪結(jié)構(gòu)考慮。對(duì)于本工程，從SATWE 給出的結(jié)構(gòu)空間振動(dòng)圖和含剪力墻構(gòu)件主要剖面振動(dòng)圖上判斷，核心筒在 Y 向荷載作用下符合按平截面假定進(jìn)行空間整體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)； 在 X 向水平荷載作用下，3個(gè)距離較遠(yuǎn)的獨(dú)立筒體變形差異非常明顯，類似剪力墻分散布置的框-剪體系的變形特征，無法像框架-核心筒體系中的核心筒結(jié)構(gòu)那樣做為一個(gè)整體共同變形和抵抗水平荷載，不符合筒體結(jié)構(gòu)空間整體受力的特點(diǎn)。因此，根據(jù)結(jié)構(gòu)在 X 向水平荷載作用下的力學(xué)性能判定該結(jié)構(gòu)體系為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。

4.2抗震加強(qiáng)措施

建筑存在結(jié)構(gòu)高度超限（B 級(jí)高度）以及一項(xiàng)規(guī)則性超限（扭轉(zhuǎn)位移比），針對(duì)結(jié)構(gòu)超限設(shè)計(jì)中采取了以下措施：

（1）建立雙重抗震防線。剪力墻的連梁、剪力墻墻肢為抗震第一道防線，框架為第二道防線，框架承擔(dān)的地震剪力應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行調(diào)整；

（2）按規(guī)范B級(jí)高度設(shè)定結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)的抗震等級(jí)，框架和剪力墻和抗震等級(jí)均為二級(jí)。剪力墻應(yīng)按規(guī)范要求設(shè)置約束邊緣構(gòu)件和構(gòu)造邊緣構(gòu)件；

（3）針對(duì)建筑層高的變化調(diào)整結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，調(diào)整建筑中剪力墻的墻厚和混凝土強(qiáng)度等級(jí)，并在墻體中設(shè)置調(diào)整剛度所需要的結(jié)構(gòu)洞，以使結(jié)構(gòu)剛度盡量均勻，避免出現(xiàn)薄弱層。

（4）框-剪體系中剪力墻的設(shè)計(jì)借鑒規(guī)范框架-核心筒體系的設(shè)計(jì)要求予以加強(qiáng)，即剪力墻筒體的角部除了底部加強(qiáng)區(qū)以外，底部加強(qiáng)區(qū)以上高度軸壓比大于0.4的高度范圍內(nèi)設(shè)置約束邊緣構(gòu)件；

（5）各特別是樓面大梁擱置在連梁或樓梯間較薄墻體上時(shí)，相應(yīng)樓層處墻中設(shè)置暗梁。剪力墻芯筒內(nèi)樓板電算時(shí)按彈性樓板分析，加厚為140mm并采用雙層配筋。加強(qiáng)頂部2～3層及屋面突出物中豎向構(gòu)件的配筋量，屋面板加厚至120mm，并配置雙層雙向鋼筋。

4.3結(jié)構(gòu)嵌固的處理

工程地面以上有多棟建筑，為了避免形成多塔結(jié)構(gòu)，嵌固層設(shè)在±0.000層。同時(shí)，按照國家、當(dāng)?shù)匾?guī)范以及抗震超限審查專家組的要求，地下層1剪切剛度大于首層剪切剛度的2倍。設(shè)計(jì)中將建筑區(qū)域地下室部分墻體截面加厚為800mm。為了確保能夠在該樓層提供足夠的水平約束，對(duì)±0.000層樓板作了全面加厚處理，樓板均采用200厚現(xiàn)澆混凝土樓板，混凝土強(qiáng)度等級(jí) C35，采用雙層雙向配筋，保證配筋率不小于為0.3%，對(duì)樓板開洞處四周另作特別加強(qiáng)。建筑地下層1的抗震等級(jí)按底部加強(qiáng)區(qū)的等級(jí)采用，地下室柱截面縱向鋼筋面積除應(yīng)滿足計(jì)算要求外，不少于地上層1相應(yīng)縱向鋼筋面積的1.1倍。4.4結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的控制

《高規(guī)》主要通過位移比和周期比來控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)反應(yīng)，對(duì)于B級(jí)高度的建筑，結(jié)構(gòu)每個(gè)樓層的最大位移和最大層間位移與該樓層平均位移和平均層間位移的比值不宜大于1.2不應(yīng)大于1.4；結(jié)構(gòu)以扭轉(zhuǎn)為主的第1周期與以平動(dòng)為主的第1周期之比不應(yīng)大于0.85。本工程由于建筑平面狹長(zhǎng)，長(zhǎng)寬比3.7，結(jié)構(gòu)本身的抗扭剛度較小，上述指標(biāo)較難控制。產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)主要因?yàn)橘|(zhì)量中心與剛度中心偏差太大或結(jié)構(gòu)的抗扭剛度相對(duì)較小這兩個(gè)原因，因此在本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的控制扭轉(zhuǎn)的措施也基本以減小剛度中心的偏心率、調(diào)整結(jié)構(gòu)的抗扭剛度和抗側(cè)剛度這兩點(diǎn)為基本原則。

對(duì)于質(zhì)心與剛心偏差的控制，工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在抗側(cè)力構(gòu)件的布置中，遵循均勻、分散、對(duì)稱、周邊的原則，合理布置結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件，控制抗側(cè)力構(gòu)件的剛度，以控制剛心和質(zhì)心的偏差。

對(duì)于結(jié)構(gòu)抗扭剛度相對(duì)較小，是指抗扭剛度與結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度相比較而言，有時(shí)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度過大，即使結(jié)構(gòu)具有一定的抗扭剛度，也會(huì)出現(xiàn)周期比不符合規(guī)范要求的現(xiàn)象。工程采取的主要技術(shù)措施主要有兩大類： 一方面是提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，主要方法是在建筑物外圍盡可能布置抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，加大結(jié)構(gòu)周邊抗側(cè)力構(gòu)件的剛度，加大周邊框架梁的截面，兼顧到建筑立面要求和采光要求，利用周邊窗臺(tái)位置將連梁上翻以加高周邊部位的連梁； 另一方面，在結(jié)構(gòu)水平位移和層間位移角滿足規(guī)范要求的前提下，適當(dāng)減少結(jié)構(gòu)中部剪力墻的布置，適當(dāng)減小結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，從而加大結(jié)構(gòu)的平動(dòng)振型的周期，周期比也得以減小。通過兩個(gè)方法的綜合運(yùn)用，在水平位移滿足規(guī)范要求的前提下，最終取得了一個(gè)較好的抗扭剛度和抗側(cè)剛度的適當(dāng)比例。

4.5超短梁的處理

建筑平面某些位置結(jié)構(gòu)柱和剪力墻之間距離很近（圖2），在豎向荷載作用下柱軸壓比較大，豎向變形較大，而剪力墻軸壓比較小，連接柱和剪力墻的混凝土梁跨度很小而梁兩端豎向變形差異較大，在恒活載作用下產(chǎn)生了較大的內(nèi)力； 同時(shí)，在地震荷載和風(fēng)荷載作用下此處混凝土梁剛度較大，相應(yīng)的彎矩和剪力均很大，因此此處混凝土梁超筋現(xiàn)象極為嚴(yán)重。設(shè)計(jì)中按弱連梁的原則來處理解決這種超筋現(xiàn)象。

圖 2 超短梁的處理

適當(dāng)增大此處混凝土梁的跨高比，在程序中指定為連梁，進(jìn)行連梁剛度折減，并將部分梁設(shè)計(jì)為雙連梁（即設(shè)置水平縫，見圖3，4），從而減小梁的剛度和內(nèi)力，降低其實(shí)際的彎矩和剪力設(shè)計(jì)值。一個(gè)截面高度為 h 的梁變?yōu)閮筛孛娓叨葹?h/2的梁，其抗彎剛度變?yōu)?/4，梁端單位轉(zhuǎn)角引起的彎矩和剪力也變?yōu)?/4，連梁內(nèi)力迅速減小，但截面抗剪承載力基本不變。按照這種方案處理的連梁受力性能較好，一定程度上避免了連梁超筋的問題，容易實(shí)現(xiàn)彎曲破壞，提高結(jié)構(gòu)延性和耗能能力。在 SATWE 程序中，根據(jù)模型連梁與實(shí)際連梁抗彎剛度和抗剪剛度相等的原則，采用雙倍厚度框架梁模擬雙連梁，即在擬設(shè)置雙連梁的位置設(shè)置雙倍墻厚、單肢連梁高度的框架梁，計(jì)算得出的連梁配筋值根據(jù)設(shè)置的連梁數(shù)量平均分?jǐn)偟礁鬟B梁進(jìn)行配筋。連梁跨度很小，框中所受的豎向荷載也很小，理論上采用該模型與實(shí)際受力情況應(yīng)是一致的。極個(gè)別連梁采用雙連梁的方式后仍然出現(xiàn)抗剪超筋，在這些雙連梁中加設(shè)鋼骨（圖5），采用型鋼混凝土梁的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行復(fù)核設(shè)計(jì)。

圖 3 連梁設(shè)為雙連梁

圖 4 雙連梁的簡(jiǎn)化模型

圖 5 型鋼混凝土連梁

和超短連梁相連的柱要按剪力墻暗柱的要求進(jìn)行復(fù)核設(shè)計(jì)，如軸壓比、配筋等均需滿足剪力墻暗柱的構(gòu)造要求。

5 結(jié)論

綜上所述，選擇合理的結(jié)構(gòu)體系、設(shè)定合理的抗震加強(qiáng)措施、對(duì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵問題進(jìn)行細(xì)致分析研究，可以保證超限高層的安全可行、經(jīng)濟(jì)合理。結(jié)構(gòu)體系的認(rèn)定應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理進(jìn)行分析才能得到準(zhǔn)確的結(jié)果。通過調(diào)整質(zhì)量中心與剛度中心的偏心率，加大結(jié)構(gòu)周邊抗側(cè)力構(gòu)件的剛度同時(shí)適當(dāng)減少結(jié)構(gòu)中部抗側(cè)力構(gòu)件的剛度，可以有效控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)。增大連梁跨高比并設(shè)置雙連梁可降低連梁剛度，提高結(jié)構(gòu)延性和耗能能力，解決短連梁超筋問題。

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