周澤宇，梁子彪，林瑤明，劉婉筠，吳偉建

（1、上海天華建筑設(shè)計有限公司廣州分公司 廣州 510660；2、深圳市華陽國際工程設(shè)計股份有限公司廣州分公司 廣州 510640）

1 工程概況

某項目位于廣東省佛山市禪城區(qū)，總建筑面積約為42 萬m2，首層均為架空層，層高9 m；標準層層高3.15 m，結(jié)構(gòu)頂部均為復式住宅，層高分別為3.15 m、3.1 m；地面以下設(shè)兩層地下室，負一、負二層為車庫，層高分別為3.9 m、3.8 m。本項目結(jié)構(gòu)高度超過《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 3—2010》［2］表3.3.1-1中A級框架-核心筒的最大適用高度H=120 m，為B級高度的超高層建筑；項目效果如圖1所示。

圖1 項目效果Fig.1 Rendering of Project

結(jié)構(gòu)設(shè)計工作年限為50 年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級；抗震設(shè)防烈度為7 度，Ⅲ類場地，設(shè)計地震分組為第一組，設(shè)計基本地震加速度值為0.05g，特征周期0.45 s，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級；風荷載地面粗糙度C 類，體型系數(shù)綜合考慮取1.4，且考慮受擾建筑高度范圍內(nèi)的建筑物的干擾影響。

2 結(jié)構(gòu)難點及特點

本項目結(jié)構(gòu)高度近140 m，平面存在狹長、細腰情況，如圖2所示，結(jié)構(gòu)設(shè)計存在難點及特點如下：

圖2 典型層建筑平面布置Fig.2 Typical Floor Building Layout Plan （mm）

⑴結(jié)構(gòu)高度高，高寬比大［3］。按回轉(zhuǎn)半徑計算高寬比為8.88，結(jié)構(gòu)細腰處最小平面尺寸為10.3 m，最大高寬比達到13.6，遠超過文獻［2］表3.3.2 中7 度剪力墻結(jié)構(gòu)高寬比不宜超過6 的要求。Y向在地震以及風荷載作用下，側(cè)向剛度偏弱［4］；建筑空間布局決定了剪力墻左右錯位，無法通過形成連肢墻增加抗彎剛度，勢必影響結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性指標，增加造價成本［5］。

⑵體型近似槽型且存在平面不規(guī)則，凹凸尺寸較大；標準層平面外包尺寸為20.0 m×57.7 m，長寬比L/B=0.56，L/Bmax=0.42，l/b=0.48，超過文獻［2］表3.3.2的要求，屬于凹凸不規(guī)則結(jié)構(gòu)，不利于水平力的傳遞；由于建筑對層高有所限制，梁高難以增加，削弱了周邊框架剛度，抗扭剛度弱。

⑶因本項目特點，建筑首層存在架空層，層高9 m，標準層層高3.15 m，需對首層墻加厚滿足剪力墻穩(wěn)定性要求；除加厚首層剪力墻外，需加大二層樓面梁高度，增加首層剪力墻之間的連接，使該樓層滿足剛度比要求。

⑷結(jié)構(gòu)X向長度近58 m 且不設(shè)結(jié)構(gòu)縫，在升降溫工況下樓板及樓面梁存在拉壓應力，容易造成應力集中，增大樓面混凝土開裂的風險。

3 結(jié)構(gòu)布置

本項目采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系，根據(jù)建筑體型與使用功能結(jié)構(gòu)方案做了對比：

⑴方案1：平面設(shè)縫作為兩棟單體單獨計算；根據(jù)文獻［1］要求計算縫寬600 mm，左右兩棟塔樓單獨進行計算。優(yōu)點：平面尺寸在文獻［2］規(guī)定范圍內(nèi)，塔樓平面長度不超40 m，塔樓溫度應力不大。缺點：通過計算，由于分縫兩側(cè)的平面進深較小，剛度較弱，不利于扭轉(zhuǎn)控制，導致單體在水平力作用下位移較大，需加大剪力墻厚度增加抗側(cè)剛度，如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)平面方案1Fig.3 Structural Plane Scheme 1

⑵方案2：本方案取消塔樓中間設(shè)縫，使塔樓從兩個單體合并為一個單體分析，塔樓平面長度在58 m左右，超出文獻［1］設(shè)縫間距要求。優(yōu)點：合并為一個單體后，塔樓平面抗扭剛度大大提高，使塔樓在水平力作用下位移更趨于均勻，有利于各項指標的控制。剪力墻墻厚可控制在一定范圍，提高建筑使用空間，經(jīng)濟性更好。缺點：平面長度在58 m 左右，超出文獻［1］設(shè)縫間距，需考慮溫度應力對塔樓的影響。

結(jié)合建筑使用功能要求、工程經(jīng)濟性、結(jié)構(gòu)平面合理性等因素，選用方案2 平面如圖4 所示，取消設(shè)縫，并補充塔樓溫度應力分析，考慮混凝土澆筑后降溫對塔樓受力的影響；由于Y向高寬比較小抗側(cè)力較弱，Y向剪力墻在隔墻間盡量縱向?qū)R，并在端部設(shè)置端柱提高整體抗彎剛度，結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件截面如表1所示。

圖4 結(jié)構(gòu)平面方案2Fig.4 Structural Plan 2

表1 豎向構(gòu)件尺寸Tab.1 Vertical Member Size

塔樓樓面采用普通鋼筋混凝土樓蓋體系，除了滿足豎向荷載傳遞以及建筑立面構(gòu)造要求外，為了提高剪力墻之間的聯(lián)系作用，剪力墻連梁也作相應加強，具體樓面梁尺寸如下：

外圈框架梁：（200～300）mm×700 mm、300 mm×600 mm；剪力墻連梁：墻寬×（500～550）mm；其余樓面梁：200 mm×（400～500）mm。

首層板采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板，樓板板厚取180 mm，標準層核心筒電梯廳：樓板厚度為150 mm；客廳（跨度8 m）：樓板厚度為200 mm；標準層角部樓板，中部收窄處樓板：樓板厚度為120 mm。

4 超限情況及抗震性能目標

本項目高度超限，并具有（扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則）共2項一般不規(guī)則，（抗扭剛度弱）1項特別不規(guī)則，如表2所示，應進行超限高層抗震設(shè)防專項審查［6］。

表2 工程超限情況Tab.2 Engineering Characteristics beyond Code Limits

針對結(jié)構(gòu)不規(guī)則情況，采用結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計方法進行分析和論證。設(shè)計根據(jù)結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的薄弱部位及需要加強的關(guān)鍵部位，根據(jù)文獻［1］要求，結(jié)構(gòu)抗震性能目標為C 級，性能水準、構(gòu)件在各地震水準下的損壞程度如表3所示。

表3 構(gòu)件抗震性能等級Tab.3 Seismic Performance Level of Components

5 結(jié)構(gòu)抗震性能分析

5.1 中震等效彈性分析

本項目采用YJK 與ETABS 兩種不同力學模型軟件進行對比中震等效彈性分析，采用振型分解反應譜計算，考慮偶然偏心，雙向地震作用，扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)，結(jié)構(gòu)阻尼比取值5.5%，中梁剛度放大系數(shù)分別為1.2（邊梁）、1.5（中梁），連梁剛度系數(shù)分別是0.5（地震）、1.0（風）；主要整體指標如表4 所示；計算結(jié)果顯示：設(shè)防地震及風荷載作用下，周期比合理、位移角、扭轉(zhuǎn)位移比、剛度比等計算指標均滿足文獻［1］限值要求。

表4 結(jié)構(gòu)主要整體指標Tab.4 Structure Main Overall Indicator

⑴地震作用采用設(shè)防烈度地震，經(jīng)過文獻［1］關(guān)于剪重比的調(diào)整，地震作用下的基底剪力及傾覆力矩均大于風荷載，塔樓基本為中震起控制作用，由于結(jié)構(gòu)體型為一字長條形狀，Y向水平力及傾覆力矩大于X向。

⑵風荷載作用下，由于Y向迎風面寬度遠大于X向，因此Y向風荷載頂點位移比X向大，各方向均滿足文獻［1］頂點位移的要求，說明結(jié)構(gòu)具備足夠的側(cè)向剛度。

5.2 中震彈性時程分析

采用YJK 程序進行了設(shè)防地震下的彈性時程分析，按地震波選取三要素（頻譜特性，有效峰值和持續(xù)時間），選?、箢悎龅厣?組實際強震記錄以及2組人工模擬的場地波進行彈性時程分析；在時程分析中，地震動峰值加速度取值110gal，主方向和次方向的峰值加速度的比值為1.00∶0.85。計算結(jié)果顯示如圖5所示：

圖5 彈性時程分析樓層剪力結(jié)果Fig.5 Elastic Time History Analysis of Floor Shear Force

⑴7 條地震波得出樓層剪力平均值曲線與CQC得出的剪力曲線基本一致，各條地震波作用下基地剪力在65%～135%之內(nèi)，基地剪力平均在80%～120%范圍內(nèi)，滿足文獻［1］要求；

⑵部分樓層彈性時程分析得出的樓層剪力平均值大于CQC，在施工圖設(shè)計時，應對CQC 法計算的地震力適當放大，放大系數(shù)不大于1.2。

5.3 中震受拉承載力驗算

中震和風作用下本工程底部和頂部（31 層以上）電梯井及塔樓北側(cè)端部部分剪力墻出現(xiàn)拉應力，頂部隨著樓層數(shù)增加出現(xiàn)拉應力的墻肢數(shù)量增多。全部墻肢的拉應力均小于2ftk，最大拉應力出現(xiàn)在首層，約為4.36 MPa（2ftk=5.7 MPa），首層以及31層以上的個別組合墻出現(xiàn)全截面受拉的不利情況。根據(jù)文獻［1］7.2.7 節(jié)，需要提高軸心受拉、偏心受拉剪力墻的水平分布筋、豎向分布筋最小配筋率；此外，對于個別拉應力較大的墻柱，均拆分為多個單片墻單獨計算。由于首層以及31 層以上的Q3+Q4+DZ1、Q7+Q8+DZ2 組合墻出現(xiàn)全截面受拉，如圖6所示，提取兩片組合墻進行整體的抗剪承載力分析，首層剪力墻在X和Y向地震用下出現(xiàn)全截面受拉情況，但其抗剪承載力均能滿足要求。

圖6 剪力墻拉應力分布Fig.6 Distribution Diagram of Tensile Stress of Shear Wall

5.4 罕遇地震下動力彈塑性時程分析

采用SAUSAGE 軟件對結(jié)構(gòu)進行罕遇地震下的動力彈塑性分析，滿足性能水準4的要求，分析選取1組人工波，2 組天然波進行計算，地震動水平雙向輸入時，主次方向分別按100%和85%幅值施加，時程分析時輸入地震加速度最大值為242 cm/s2。

罕遇地震下彈塑性層間位移角兩個方向最不利工況下層間位移角分別為1/296（X）和1/245（Y），均滿足1/65 的限值要求，如表5 所示，滿足“大震不倒”的基本要求。

表5 彈塑性樓層層間位移角Tab.5 Elastoplastic Story Drift Angle

大震彈塑性時程與中震等效彈性時程的剪力比值介于1.6～2.2 倍之間，小于時程分析輸入地震加速度罕遇地震與設(shè)防地震的2.2 倍；大震彈塑性時程分析與大震彈性時程分析的比值在0.6～0.9 之間，均表明本塔樓在大震下非線性特征合理，地震能量可以得到有效消散，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下頂層位移如圖7所示。

圖7 頂點位移時程曲線Fig.7 Vertex Displacement Time History Curve

結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性鉸的順序為核心筒部位連梁率先開裂破壞，產(chǎn)生塑性鉸耗能，主要墻肢整體損傷較輕；大部分連梁達到重度損壞的性能水平［7］，連梁混凝土出現(xiàn)剛度退化成了較好的耗能機制，有效保護了主體結(jié)構(gòu)墻肢，絕大部分的剪力墻仍處于無損壞的性能水平及損傷，滿足抗震性能目標4要求。

6 超長結(jié)構(gòu)溫度應力分析

本項目平面長度接近58 m，超過文獻［1］第3.4.11伸縮縫的間距要求，需進行溫度應力分析［8］?？紤]混凝土澆筑后降溫對塔樓受力的影響，按2 個月合攏后澆帶，其殘余變形約等同降溫13 ℃，合攏溫度為23 ℃，而廣州最低氣溫按6 ℃考慮，則總降溫為6-23-13=-30 ℃。計算模型考慮地面以上的結(jié)構(gòu)同時降溫（不含頂板及以下構(gòu)件），且不考慮地震和風荷載作用。此外，YJK 中混凝土構(gòu)件的溫度效應折減系數(shù)采用0.3。

模型考慮降溫條件下剪力墻兩個方向的應力情況如圖8 所示，可知沿著平面X方向產(chǎn)生的溫度應力比較明顯，且呈現(xiàn)底部大上部逐漸變小的趨勢，溫度應力主要出現(xiàn)在底部3 層左右。提取構(gòu)件配筋進行分析，結(jié)果顯示部分樓面梁出現(xiàn)拉力，需要配置通長面筋［9］。

圖8 全樓剪力墻溫度應力分布Fig.8 Temperature Stress Distribution of Shear Wall in the Whole Building

1.3恒載+1.05活載+1.5降溫組合工況下樓板的應力分析如圖9所示，樓板板面出現(xiàn)X向的拉應力，拉應力為2.0 MPa 左右，板底拉應力最大值約為2.0 MPa。針對板面出現(xiàn)拉應力情況，樓板面筋底筋拉通，拉通筋配筋率根據(jù)計算結(jié)果顯示為0.20%～0.25%范圍。

7 結(jié)論

本工程塔樓高度超限（B級），存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則2 項一般不規(guī)則類型，存在抗扭剛度弱1 項特別不規(guī)則，屬于體型一般不規(guī)則結(jié)構(gòu)，采用概念設(shè)計方法［10］，利用YJK、ETBAS、SAUSAGE多個有限元軟件多種計算方法，對比了中震等效彈性、中震彈性時程分析及罕遇地震下的彈塑性分析，滿足“三水準、兩階段”的設(shè)計理念；針對上述超限情況及設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)問題，對結(jié)構(gòu)分析與抗震措施兩個方面進行加強，加強措施如下：

圖9 樓板應力Fig.9 Floor Stress

⑴底部加強區(qū)剪力墻墻身水平分布筋和豎向分布筋最小配筋率提高到0.35%；在底部加強區(qū)和非底部加強區(qū)間設(shè)置2 層過渡層，其豎向分布筋配筋率取0.30%；非底部加強區(qū)剪力墻分布筋配筋率為0.25%；

⑵針對受拉剪力墻，根據(jù)文獻［1］要求提高受拉剪力墻水平、豎向分布筋的配筋率。

⑶針對電梯井部位，樓板厚度提高150 mm，并雙層雙向加強配筋，單層最小配筋率不小于0.25%。

⑷針對首層層高較高情況，為了加強首層剪力墻的連接，加高二層樓面梁尺寸，使首層、二層滿足文獻［1］剛度比及穩(wěn)定性要求。

⑸針對平面尺寸大于文獻［1］設(shè)縫間距情況，塔樓考慮溫度應力影響，對受拉的樓面梁、樓板設(shè)置拉通筋，構(gòu)件設(shè)計時考慮溫度應力包絡(luò)配筋。

結(jié)論表明本項目結(jié)構(gòu)布置合理，滿足建筑功能及使用要求，達到結(jié)構(gòu)抗震性能C級目標，安全可行。