陳敢超

（廣東中山建筑設(shè)計院股份有限公司）

1 工程概況

幸福華庭商住小區(qū)項目位于中山市古鎮(zhèn)鎮(zhèn)，同興路與沙古公路交匯處，廣珠城軌古鎮(zhèn)站西側(cè)，北至華安東路。其中一區(qū)1～4 棟和二區(qū)5～7 棟共七棟45 層超高超限V 型住宅樓總建筑面積29.59 萬m2，地上建筑面積24.5 萬m2，地下建筑面積5.09 萬m2，兩層地庫，與十棟20～25 層高層住宅、世界燈博中心和國際貿(mào)易中心連成共150萬m2的住宅、商業(yè)綜合體，效果圖見圖1。本文主要介紹V型超高層住宅的相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖1 效果圖

2 主要設(shè)計參數(shù)

V 型住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計基準周期為50 年，豎向構(gòu)件、轉(zhuǎn)換構(gòu)件及關(guān)鍵節(jié)點的建筑結(jié)構(gòu)安全等級為一級，其余結(jié)構(gòu)構(gòu)件為二級。抗震設(shè)防類別為丙類，設(shè)防烈度為7度，設(shè)計地震分組為第一組，設(shè)計基本地震加速度為0.1g，特征周期為0.45s，建筑場地土類別為Ⅲ類。地下室頂板設(shè)計為嵌固端，抗震等級框支柱為特一級，剪力墻及核心筒為一級（加強區(qū)為特一級），框架柱為一級。建筑物結(jié)構(gòu)主體的高度為159.3m，對風效應(yīng)特別敏感，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3-2010）[1]（簡稱《高規(guī)》）第4.2.7 條要求，對V型住宅進行風洞試驗。根據(jù)項目周邊建筑群狀況，地面粗糙度類別為C類，體型系數(shù)取1.4，試驗數(shù)據(jù)依據(jù)華南理工大學土木與交通學院提交的《中山古鎮(zhèn)利和項目風洞試驗和風振分析報告》來取值，風荷載按照風洞試驗結(jié)果和規(guī)范荷載取值進行包絡(luò)設(shè)計。

3 結(jié)構(gòu)體系

V 型住宅采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系，標準層平面X 向尺寸47.44m，Y 向尺寸為24.72m，長寬比1.92，高寬比6.44，標準層結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖2所示。核心筒外墻厚度自下而上由800mm 減小至250mm，其他位置內(nèi)墻厚度自下而上由500mm 減小至250mm，轉(zhuǎn)換層框支柱截面為1000×1200～1600×1600mm。由于個別轉(zhuǎn)換構(gòu)件軸線不對中，導(dǎo)致如圖3 所示梁柱節(jié)點受力復(fù)雜，轉(zhuǎn)換梁所承擔的剪力很大，因建筑架空層凈高要求需要，轉(zhuǎn)換梁梁高又不能任意加高，故采取整層加腋處理。采用《上海佳構(gòu)通用有限元分析軟件STRAT》（簡稱STRAT）[2]做中震作用下的整體有限元分析，梁拉、壓應(yīng)力和剪應(yīng)力計算采用1.2（D+0.5L）+1.3（-EY）中震彈性工況，截取最不利切面1、2 作抗剪承載力驗算，驗算結(jié)果見表1。

表1 整層加腋轉(zhuǎn)換梁中震抗剪承載力驗算

圖2 標準層結(jié)構(gòu)平面圖

圖3 轉(zhuǎn)換層特殊轉(zhuǎn)換節(jié)點示意圖

4 超限情況及應(yīng)對措施

根據(jù)《高規(guī)》第3.3.1 條，部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)在7度區(qū)最大適用高度A級為100m，B級120m，而V型住宅從嵌固端算起高度為159.3m，屬于高度超限。由于建筑功能使用要求，首層至三層為商鋪裙樓，標準層的剪力墻不能直落首層，需在四層樓面設(shè)置轉(zhuǎn)換層，屬于豎向構(gòu)件Ⅱ類不連續(xù)，另外還存在Ⅰ類扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)等不規(guī)則項。

針對以上超限及存在三項不規(guī)則項情況，采取以下結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造加強措施：

⑴在滿足建筑物平面及造型要求的前提下，均勻合理地布置豎向結(jié)構(gòu)，并加強周邊結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施，使建筑物整滿足抗震要求；

⑵適當加強底部加強區(qū)剪力墻水平及豎向分布筋配筋率（取0.6%）；

⑶加強框支框架配筋（柱箍筋增大20%）；

⑷加強端柱配筋（增大20%）；

⑸為使結(jié)構(gòu)滿足抗震設(shè)防目標，提高剪力墻邊緣構(gòu)件、連梁和框架梁配箍率，并采用Ⅲ級鋼，確保剪力墻、連梁和框架梁具有較好的延性，令抗彎屈服先于抗剪屈服，保證構(gòu)件強剪弱彎；

⑹轉(zhuǎn)換層上、下各一層樓板加強，板厚不小于150mm，配筋采用雙層雙向拉通鋼筋，配筋率取0.25%。

5 抗震性能目標

考慮社會效益和經(jīng)濟效益等因素，根據(jù)本工程的超限情況、結(jié)構(gòu)特點、結(jié)構(gòu)整體模型的試算結(jié)果，并結(jié)合概念設(shè)計中“強柱弱梁”、“強剪弱彎”“強節(jié)點弱構(gòu)件”和框架“二道防線”等基本概念，制定本工程抗震性能目標[6]。V 型住宅抗震性能目標選用C 級，具體如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)抗震性能目標

6 結(jié)構(gòu)計算分析

6.1 多遇地震（小震）下彈性反應(yīng)譜分析

本工程的計算選用《復(fù)雜多、高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計軟件PMSAP》（簡稱PMSAP）[3]和《建筑結(jié)構(gòu)通用分析與設(shè)計軟件GSSAP》（簡稱GSSAP）[4]對結(jié)構(gòu)進行分析比較。結(jié)構(gòu)分析模型中，剪力墻選取三維殼單元，梁和柱采用三維桿單元。由于樓板具有較好的整體性，反應(yīng)譜分析采用剛性樓板假定。在水平地震作用下，采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)及高階振型的振型分解反應(yīng)譜法（CQC 法），V型住宅主要計算結(jié)果如表3所示。

表3 主要計算結(jié)果

通過PMSAP、GSSAP 兩個軟件計算結(jié)果對比可以看出，兩個軟件計算出的結(jié)構(gòu)剛度和變形結(jié)果較為吻合，說明采用的力學模型正確，能夠較為準確地模擬結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學性能[6]。兩個軟件計算結(jié)果均滿足多遇地震下規(guī)范要求。

6.2 多遇地震下時程分析

根據(jù)《高規(guī)》5.1.13 條規(guī)定，本項目需要進行彈性動力時程分析。采用PMSAP 進行計算，輸入地震波進行動力時程分析，由位移反應(yīng)計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力。輸入3 條地震波，2 條為分析程序提供的Tg=0.45s 的天然波TH1（cpc_74_nor），TH2(nrg_90_nor)，另外1 條為安評報告提供的人工波RH1(TT63%-1)，主方向加速度峰值38.85cm/s2，次方向加速度峰值33.00cm/s2，詳見圖4，按7 度(0.10g)地震效應(yīng)、Ⅲ類建筑場地類別條件下進行多遇地震進行彈性動力時程分析。時程分析結(jié)果見表4。

表4 彈性動力時程分析結(jié)果（PMSAP計算）

圖4 地震波進行動力時程分析圖

從時程分析主要結(jié)果與反應(yīng)譜分析主要結(jié)果對比來看，二者基本一致，承載力設(shè)計時可取多條時程曲線與振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的包絡(luò)值。地震波的選擇滿足規(guī)范要求。

6.3 設(shè)防地震（中震）下結(jié)構(gòu)構(gòu)件驗算

為保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件實現(xiàn)設(shè)防地震下的抗震性能目標，采用廣廈GSSAP 軟件進行中震彈性（豎向抗震構(gòu)件的斜截面驗算）和中震不屈服（豎向抗震構(gòu)件的正截面驗算）分析。分析結(jié)果顯示：轉(zhuǎn)換梁和轉(zhuǎn)換柱正截面和斜截面強度、剪力墻和框架柱的斜截面強度均達到中震彈性的性能目標，剪力墻和框架柱的正截面強度也能達到中震不屈服的性能目標，滿足《高規(guī)》的要求。而連梁、框架梁等耗能構(gòu)件則部分進入抗彎屈服，并未發(fā)生脆性剪切破壞，其受剪截面均滿足《高規(guī)》要求。

6.4 罕遇地震（大震）下彈塑性時程分析

為充分了解V 型住宅結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的動力特性和破壞模式，采用佳構(gòu)STRAT 軟件進行罕遇地震下彈塑性時程分析。根據(jù)《廣東省高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（DBJ 15-92-2013）[5]（簡稱《粵高規(guī)》）第3.11 節(jié)結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計及第5.5 節(jié)結(jié)構(gòu)彈塑性分析及薄弱層彈塑性變形驗算的有關(guān)規(guī)定進行分析計算。本工程采用前文多遇地震分析的3 條地震波（RH1、TH1、TH2），分別按X 向、Y 向為主方向進行單向彈塑性時程分析。轉(zhuǎn)換層模型及典型落地剪力墻、框支柱、框支梁、轉(zhuǎn)換上一層剪力墻等關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)力圖如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)換層模型及各關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)力圖

綜上彈塑性動力分析后可知，V 型住宅結(jié)構(gòu)具有較好的承載力和抗側(cè)剛度，結(jié)構(gòu)整體及構(gòu)件性能很好滿足抗震需求。3 條地震波在大震作用下產(chǎn)生的基底剪力包絡(luò)值是小震的4.6 倍（X 向）和5.0 倍（Y 向），結(jié)構(gòu)在大震作用下整體剛度沒有明顯的下降突變，大震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移均小于規(guī)范限值1/150，滿足大震抗震性能目標的設(shè)防要求，達到了預(yù)期的結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計目標。

7 結(jié)論

本文根據(jù)幸福華庭V 型住宅的超限情況及結(jié)構(gòu)復(fù)雜特點，設(shè)定合理的抗震性能目標，利用多個軟件對建筑結(jié)構(gòu)進行多遇地震（小震）、設(shè)防地震（中震）和罕遇地震（大震）下的計算分析，并對重要（關(guān)鍵）構(gòu)件或部位進行補充驗算，提出相應(yīng)的加強抗震構(gòu)造措施，論證了在地震作用下該超限高層建筑的結(jié)構(gòu)是安全可靠的，能夠?qū)崿F(xiàn)“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震性能設(shè)計目標。該超限住宅建筑經(jīng)有效的抗震設(shè)防后，能夠有效減輕建筑的地震破壞，避免人員傷亡，減少社會經(jīng)濟損失。