厲國偉， 洪孝華

(浙江新中環(huán)建筑設(shè)計有限公司，浙江杭州 310030)

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某超高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計

厲國偉， 洪孝華

(浙江新中環(huán)建筑設(shè)計有限公司，浙江杭州 310030)

某項目位于位于蚌埠市龍之湖區(qū)，11#樓住宅屬于B級高度的高層建筑，結(jié)構(gòu)總高度為148.2 m，采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系。工程二層樓板開洞較大，致使樓板不連續(xù)，且為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。文章依據(jù)所選定的抗震性能目標(biāo)，進行了小震、中震、大震階段的性能分析，提出了針對性的抗震加強措施，對大開洞樓板進行了補充計算與分析。

抗震； 剪力墻結(jié)構(gòu)； 超高層住宅； 設(shè)計

1 工程概況

本工程位于蚌埠市龍之湖區(qū)龍之湖北岸。項目規(guī)劃凈用地約10.8×104m2，擬建建筑規(guī)?？刂圃?7.8×104m2左右。

該項目由17棟高層住宅及商業(yè)裙房組成，其中7#～13#、16#、17#住宅均為51層，建筑高度為148.2 m，主樓下設(shè)兩層地下室。本文主要針對11#住宅做論述，該工程的效果圖和標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖如圖1、圖2所示。

圖1 建筑效果

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面(單位:mm)

2 結(jié)構(gòu)體系及超限情況

本工程所在地抗震設(shè)防烈度為7度，地震加速度為0.10g。根據(jù)建筑功能需要并結(jié)合結(jié)構(gòu)受力情況，本工程11#住宅采用剪力墻結(jié)構(gòu)。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》3.3.1條，本工程屬于B級高度的鋼筋混凝土高層建筑。標(biāo)準(zhǔn)層平面外輪廓尺寸為48.26 m×16.5 m，標(biāo)準(zhǔn)層等效寬度為15.26 m,按標(biāo)準(zhǔn)層等效寬度計算，結(jié)構(gòu)長寬比為3.2，高寬比為9.7。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》3.3.2條，本工程屬于高寬比超限建筑。

規(guī)則性的判斷：(1)二層結(jié)構(gòu)平面樓板開洞造成Y向有效寬度為全樓寬度的23 %，屬于樓板不連續(xù)。(2)根據(jù)STAWE的小震彈性振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果可知，局部樓層最大位移比大于1.2，但不大于1.4，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。

結(jié)論：本工程為高寬比超限的B級高度的高層建筑，二層門廳上方存在局部樓板不連續(xù)的情況，屬于平面不規(guī)則；局部樓層最大位移比大于1.2，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。本工程具有兩項一般不規(guī)則的類型。

3 性能目標(biāo)及抗震設(shè)防

結(jié)合本工程設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)的不規(guī)則程度、房屋高度、結(jié)構(gòu)發(fā)揮延性變形的能力、結(jié)構(gòu)造價、震后的各種損失及修復(fù)難度等因素，進行抗震性能評估，其性能目標(biāo)定為C級。

性能目標(biāo)C的宏觀及各類構(gòu)件控制指標(biāo)見表1。依據(jù)GB 20011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(簡稱抗規(guī))及地震安全評估報告，本工程地震動參數(shù)取值見表2，結(jié)構(gòu)抗震等級見表3。

4 抗震性能計算與分析

4.1 多遇地震作用

采用兩種不同分析力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)分析軟件SATWE和PMSAP進行整體計算，計算結(jié)果基本一致，并且各項指標(biāo)滿足規(guī)范要求，說明結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)布置與構(gòu)件尺寸基本合理(表4)。

表1 整體及各類構(gòu)件性能目標(biāo)控制

表2 地震動參數(shù)取值

表3 各部位構(gòu)件抗震等級

表4 多遇地震作用整體計算結(jié)果

4.2 設(shè)防烈度地震作用

采用SATWE對結(jié)構(gòu)進行中震不屈服驗算，地震影響系數(shù)最大值取0.23。考慮到此工況下部分耗能構(gòu)件進入屈服，周期折減系數(shù)取0.95，阻尼比取0.07，中梁剛度放大系數(shù)取1.6，連梁剛度折減系數(shù)取0.4。構(gòu)件承載力復(fù)核時按不考慮抗震等級相關(guān)調(diào)整系數(shù)，且不計入風(fēng)荷載作用的標(biāo)準(zhǔn)組合進行復(fù)核，材料強度取標(biāo)準(zhǔn)值。小震、中震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)計算結(jié)果對比見表5。

表5 小震、中震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)計算結(jié)果對比

考慮到本工程高寬比超限，在水平力作用下墻肢出現(xiàn)受拉,為此在考慮雙向地震作用下，對剪力墻受拉情況進行全面核查。經(jīng)核查，僅底部兩層中部分墻肢在中震作用下拉應(yīng)力超過ftk，設(shè)計對其進行內(nèi)置鋼骨加強處理，同時對于所有出現(xiàn)小偏心受拉的墻肢，其抗震等級均提高一級處理。

4.3 罕遇地震作用

4.3.1 性能目標(biāo)驗算

根據(jù)既定的性能目標(biāo)，本工程在預(yù)估的罕遇地震作用下，關(guān)鍵構(gòu)件滿足抗剪截面控制條件。允許個別關(guān)鍵構(gòu)件進入屈服，屈服的豎向構(gòu)件截面積占單層豎向構(gòu)件總面積的比例不大于10 %。普通豎向構(gòu)件滿足抗剪截面控制條件，允許較多構(gòu)件進入屈服，屈服的豎向構(gòu)件截面積占單層豎向構(gòu)件總面積的比例不大于70 %。允許部分耗能構(gòu)件發(fā)生比較嚴(yán)重的破壞?？刂拼笳鹱饔孟陆Y(jié)構(gòu)層間位移角不大于1/120。

4.3.2 地震波的選取

根據(jù)北京震泰工程技術(shù)有限公司提供的適用于本項目場地罕遇地震計算使用的地震波，對結(jié)構(gòu)進行彈性時程分析。經(jīng)過對多條地震波的特征比較，最終選取兩條天然波和一條人工波進行動力彈塑性分析。

規(guī)范譜與各地震波譜平均地震影響系數(shù)曲線對比見圖3， 反應(yīng)譜與彈性時程計算樓層剪力對比曲線見圖4， 各地震波譜與規(guī)范譜結(jié)構(gòu)響應(yīng)計算結(jié)果對比見表6。計算結(jié)果表明，多組時程曲線的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線，在主要振型周期點上，影響系數(shù)相差在20 %以內(nèi)，兩者在統(tǒng)計意義上相符。每條時程曲線計算所得結(jié)果底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的65 %，多條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80 %。因此所選用的地震波滿足規(guī)范要求，可用于本工程時程分析。

圖3 規(guī)范譜與各地震波譜平均地震影響系數(shù)曲線對比

地震波名稱有效持續(xù)時間/s有效持續(xù)時間與結(jié)構(gòu)自振周期比值底部剪力及對比/kNX向Y向時程分析CQC法時程/CQC時程分析CQC法時程/CQC天然波143.111.850064.8天然波230.28.349250.9人工波26.07.157113.5平均值52143.154705.10.9139966.50.9042155.21.0460238.50.9547453.454321.40.730.771.100.87

(a)X方向樓層剪力對比

(b)Y方向樓層剪力對比圖4 反應(yīng)譜與彈性時程計算樓層剪力對比曲線

4.3.3 動力彈塑性分析

根據(jù)前文所述的性能化設(shè)計要求及預(yù)定的加強措施，在常規(guī)計算模型的配筋結(jié)果的基礎(chǔ)上，對重點部位剪力墻配筋進行人為干預(yù)：(1)底部加強部位及過渡層的剪力墻邊緣構(gòu)件配筋按大震不屈服的計算結(jié)果采用，其余樓層按常規(guī)計算結(jié)果采用。(2)底部加強部位、過渡層、屋頂層及出屋面混凝土構(gòu)件的剪力墻豎向分布鋼筋為0.6 %，水平分布鋼筋按不小于0.4 %采用，其余樓層豎向分布鋼筋為0.4 %，水平分布鋼筋按不小于0.4 %采用。

采用PKPM2010V2.1版的EPDA&PUSH程序?qū)φw結(jié)構(gòu)進行罕遇地震動力彈塑性分析，彈塑性分析模型接力于SATWE模型。構(gòu)件塑性鉸定義采用程序默認(rèn)的“纖維束模型”，直接從材料本構(gòu)關(guān)系角度出發(fā)模擬梁、柱的彈塑性性質(zhì)。

罕遇地震作用下層間位移角曲線見圖5， 樓層剪力曲線見圖6， 彈塑性分析主方向主要結(jié)果統(tǒng)計及對比見表7。

(a)X方向?qū)娱g位移角

(b)Y方向?qū)娱g位移角圖5 罕遇地震作用層間位移角曲線

(a)X方向樓層剪力

(b)Y方向樓層剪力圖6 罕遇地震作用樓層剪力曲線(單位:kN)

結(jié)構(gòu)損傷情況，以裂縫和塑性鉸發(fā)展最多的人工波為例，結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)展順序基本如下：0～5 s左右時間段，底部約1/4全樓高度范圍內(nèi)的部分跨高比較小的墻梁出現(xiàn)少量裂縫，短跨的框架梁出現(xiàn)塑性鉸，在二層樓面大開洞附近的短墻肢上出現(xiàn)少量受拉裂縫；5～11 s左右時間段，全樓范圍短跨的連梁及框架梁端部出現(xiàn)塑性鉸，底部加強部位外圍部分墻肢出現(xiàn)少量受壓裂縫，同時外圍墻肢的受拉裂縫逐步往上延伸至全樓1/4高度；11～21 s左右時間段，結(jié)構(gòu)變形最大值發(fā)生在此時間段，構(gòu)件損傷達到最大，多數(shù)連梁及框架梁端部出現(xiàn)塑性鉸，受拉側(cè)短墻肢基本都出現(xiàn)受拉裂縫，且從外圍向內(nèi)部發(fā)展，受壓側(cè)個別墻肢出現(xiàn)少量受壓裂縫；21 s結(jié)束，整體結(jié)構(gòu)時程響應(yīng)達到峰值后逐步減緩，直至停止，基本未出現(xiàn)更嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損傷。

表7 彈塑性分析主方向主要結(jié)果統(tǒng)計及對比

4.4 動力彈塑性分析小結(jié)

(1) 計算表明，結(jié)構(gòu)彈塑性變形滿足要求，且與規(guī)范限值尚有一定富余。各條波彈塑性分析的底部剪力與小震彈性CQC法的比值基本在3.5～5.2的區(qū)間范圍。樓層剪力與變形沿高度方向分布基本均勻，無顯著突變，未形成明顯的薄弱部位。

(2)二層樓面局部開洞對周邊的剪力墻產(chǎn)生不利影響，地震初期即出現(xiàn)少量受拉裂縫，但后續(xù)發(fā)展程度有限。

(3)結(jié)構(gòu)損傷最大時刻，部分耗能構(gòu)件屈服，剪力墻受拉裂縫主要分布在全樓2/5高度范圍，剪力墻受壓裂縫發(fā)展相對有限，僅局部樓層中的個別墻柱出現(xiàn)。

(4) 左右兩端開間的剪力墻及剛度較大的聯(lián)肢墻上受拉裂縫發(fā)展較為顯著。

(5) 總體而言，剪力墻均未出現(xiàn)破壞的情況，不影響豎向荷載的傳遞。

5 二層大開洞樓板的計算與分析

針對二層樓板大開洞的情況，采用PMSAP對該層樓面進行有限元應(yīng)力分析。

(1)工況組合一：1.2D+0.6L+0.28Wx+1.3Ex，單位為kN/m2。水平地震作用下樓板平面內(nèi)應(yīng)力情況如圖7～圖9所示。

圖7 樓板平面內(nèi)X向正應(yīng)力云圖一

圖8 樓板平面內(nèi)Y向正應(yīng)力云圖一

圖9 樓板平面內(nèi)剪應(yīng)力云圖一

圖10 樓板平面內(nèi)X向正應(yīng)力云圖二

圖11 樓板平面內(nèi)Y向正應(yīng)力云圖二

(2)工況組合二：1.2D+0.6L+0.28Wy+1.3Ey，單位為kN/m2。水平地震作用下樓板平面內(nèi)應(yīng)力情況如圖10～圖12所示。

圖12 樓板平面內(nèi)剪應(yīng)力云圖二

根據(jù)上述計算結(jié)果，適當(dāng)削峰后取二層樓面平面內(nèi)最大拉應(yīng)力為2 400 kN/m2(即2.4 MPa)，最大壓應(yīng)力為2 200 kN/m2(即2.2 MPa)，最大剪應(yīng)力為1 200 kN/m2(即1.2 MPa)。考慮對該層樓面采取如下配筋加強方案：整層樓板配筋不小于10@100雙層雙向貫通處理，樓板單方向全截面鋼筋面積為1 570 mm2/m，允許拉應(yīng)力1570×360/1000/150=3.77 MPa>2.4 MPa，滿足要求。

同時對于大洞口邊緣應(yīng)力集中明顯的部分(X向樓板平面內(nèi)剪應(yīng)力云圖白色框內(nèi))，與建筑充分溝通，進行適當(dāng)封板處理，減小洞口尺寸。

6 結(jié)束語

在多遇地震下采用兩種不同力學(xué)模型的計算程序?qū)Ρ竟こ探Y(jié)構(gòu)進行了對比分析，計算結(jié)果表明，在高寬比超過規(guī)范限值的情況下仍具有較好的穩(wěn)定性和抗傾覆能力，整體結(jié)構(gòu)規(guī)則性較好，各項指標(biāo)能滿足規(guī)范要求。根據(jù)設(shè)定的抗震性能目標(biāo)，進行了相應(yīng)的中震驗算、罕遇地震下的動力彈塑性分析及二層大開洞部位的有限元補充計算分析，對關(guān)鍵部位及重要構(gòu)件采取了適當(dāng)?shù)募訌姶胧?。以上計算分析結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)設(shè)計能實現(xiàn)所設(shè)定的抗震設(shè)防目標(biāo)。

[1] JGJ 3-2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2] GB 50011-2010 建筑抗震設(shè)計規(guī)范 [S].

[3] GB 50009-2010 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范 [S].

[4] GB 50007-2011 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

[5] 傅學(xué)怡.實用高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[6] 多層及高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性靜力、動力分析軟件PUSH&EPAD 用戶手冊[Z].

[7] 中國建筑科學(xué)研究院，建筑工程軟件研究所.PKPM多高層結(jié)構(gòu)計算軟件應(yīng)用指南[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

厲國偉(1981～)，男，本科，工程師，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

TU973.2

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[定稿日期]2017-02-24