上海朗诗规划建筑设计有限公司 201200
摘要：某工程采用剪力墙结构体系，存在“扭转不规则”和“偏心布置”不规则情况，属于一般不规则结构。由于本工程塔楼的高度 139.80m 超过了《高规》规定的剪力墙结构在 7 度设防时的最大适用高度 120 米限值，依据住建部建质[2015]67 号文的规定，属 B 级高度超限高层建筑，一般不规则结构。本文从结构体系，结构计算要点及采取的抗震措施，介绍本工程的结构分析和计算过程
关键词：结构设计；超高层；超限设计
1.项目概况
本项目地块位于无锡市滨湖区太湖新城，67号地西侧的2A地块，总用地面积：65699m2，计容积率总建筑面积：194412.5m2，地下总建筑面积：91982m2。该项目主要由2栋46层高139.8m的超高层住宅（32#，33#）、1栋33层高层住宅（31号楼）、2栋31层高层住宅（29~30号楼）、2栋25层高层住宅（26~27号楼）、1栋26层高层住宅（28号楼）、10栋3层别墅住宅（34~43号楼）、1栋配电用房及两层地下车库组成。各单体下均设二层地下室，与大地下车库均连通，地下车库覆土的深度约1.2m，地库地下一层的层高约 4.1m，地下二层的层高约 3.7m，底板顶相对标高约-9.150m。本工程±0.000m相当于绝对标高 4.850m（85高程）。
2.基础设计
根据已有的地勘资料及结合单桩竖向抗压静载试验结果，本工程基础采用泥浆护壁旋挖成孔灌注桩，考虑灌注桩的抗压和抗拔。周边地库抗浮设计：场地地下水压力较大，本工程地下室拟使用 450x450 方桩，混凝土等级为 C35，单桩抗浮承载力特征值由桩身强度控制，根据桩身强度及 0.2mm 裂缝宽度计算，单桩抗拉承载力特征值取为 540 KN。塔楼基础筏板厚1800mm，双层双向配筋，配筋率不小于 0.15%。
3.上部结构和超限情况检查
3.1 上部结构体系
本塔楼地上 46 层，地下两层，总高 139.80m，为钢筋混凝土剪力墙结构。楼板厚度≥140mm，屋面板≥140mm；地上剪力墙厚为 400~200mm；墙混凝土等级C60~C40，梁板混凝土等级C35~C30.主楼及地下室建筑结构安全等级取为二级，结构设计使用年限为50年。由于本单体的建筑高度超过了《抗规》和《高规》规定的 7 度设防地区 A 级高度高层建筑采用剪力墙结构体系时的最大适用高度限值，属于 B 级高度高层建筑，依据住建部建质[2015]67 号文的规定，属超限高层建筑，其中抗震缝左右侧单元为完全对称。
3.2 结构超限检查
结构总高度 139.80m，高度超过《高规》7 度区 A 级高度剪力墙结构适用的最大高度 120m 的限值，属于 B 级高度超限高层。结构不规则情况见下表：
表1 超限情况
4.结构计算分析
4.1 主要计算参数
本工程抗震设防烈度为 7 度，设计基本地震加速度为 0.10g，设计地震分组为第一组。设防类别为丙类，勘察报告显示，建筑所处场地土类型为中软场地土，场地类别为Ⅲ类。基本风压值：0.45 kN/m2；抗震等级二级。
4.2 结构抗震性能目标
综合考虑规范要求及业主单位要求，本工程主楼的结构抗震性能目标确定为性能目标 D。性能目标 D 是指小震下满足结构抗震性能水准 1 的要求；中震下满足性能水准 4 的要求，其中关键构件抗剪应满足弹性，即满足《高规》3.11.3-1的要求；大震下满足性能水准 5 的要求。具体如下表所示：
表 2 构件性能设计要求
4.3 多遇地震作用下结构弹性分析
根据高规 5.1.12 条规定，结构计算采用YJK和Midas Building两个不同力学模型的三维空间分析软件进行整体内力位移计算，并进行对比分析，弹性阶段采用振型分解反应谱法计算地震作用。
表3 YJK/Madis Building 弹性计算结果简表
根据 YJK 和 Midas Building 的小震静力计算分析可知：结构振型、周期、位移形态和量值均满足规范，在合理范围内；结构地震作用沿高度的分布合理，有效质量参与系数、楼层剪重比、位移角等指标均满足规范要求；多遇地震作用下，结构构件均处于弹性阶段，剪力墙、框架梁及连梁的配筋均在合理范围。多遇地震作用下两种程序计算结果较为一致，说明计算结果比较可信，也初步表明本结构布置及构件设计基本合理。
4.4多遇地震弹性时程分析
根据《高规》规定，本建筑为 B 级高度高层建筑，需要采用弹性时程分析法进行补充计算。本项目采用 YJK 进行多遇地震作用下的弹性时程分析计算。建立分层模型，将各楼层的质量集中于楼层处，形成弹性多质点体系，然后输入地震波进行弹性时程分析，可得结构各点的加速度、速度和位移反应，由位移反应计算结构内力。时程分析波输入考虑双向地震动。
4.4.1 地震波的选取及合理性判断
地震波总共选取了7条波，其中5条天然波，2条人工波。包括：天然波（San Fernando_NO_68、Imperial Valley-06_NO_176、Chi-Chi，Taiwan-06_NO_3276、San Fernando_NO_67、Chi-Chi，Taiwan-05_NO_2952），人工波（ArtWave-RH3TG055、ArtWave-RH2TG055），有效持时均大于 5 倍结构基本自振周期及15s，
表 4弹性动力时程分析结果
根据上述数据分析结果可知：七条地震波的基底剪力和层间位移角与反应谱法比较，每一条计算结果均在反应谱法的 65%~135%范围内；且七条地震波的平均值与反应谱分析的结果相比非常接近，时程计算的结构均满足《高规》第 4.3.5 条要求，因此本时程分析计算所选取的地震波可行。
通过弹性时程与反应谱法关于结构的层剪力、层弯矩、层位移及层间位移角等的计算结果对比分析可知：
1.振型分解反应谱法的计算结果在结构高度方向的大部分范围内均大于七条地震波时程计算结果对应的平均值，但在顶部弹性时程计算结果较反应谱计算略大，说明在采用振型分解反应谱法进行结构设计时，宜考虑高振型对结构顶部带来的不利影响。
2.配筋设计时，对于 CQC 计算结果小于弹性时程分析结果的楼层，应将 CQC 计算结果按照弹性时程分析结果与 CQC 内力比值进行放大。
3.将弹性时程分析各楼层放大系数带入到模型设置前处理，重新设计，按照放大后结果进行施工图绘制，另外该放大系数与剪重比放大系数不同时考虑，分析时仅取二者较大值。
4.5 设防烈度地震（中震）作用下的等效弹性计算分析
中震等效弹性计算表明：结构剪力墙设计基本合理，关键构件均满足中震抗剪弹性、抗弯不屈服要求，施工图设计时底部加强部位剪力墙配筋值采用该中震结果与小震结果的包络值。绝大部分普通竖向构件未进入屈服阶段，其截面抗剪承载力均满足规范要求。部分连梁出现屈服，但仅为局部破坏。部分外围剪力墙墙肢出现偏心受拉，按特一级抗震构造措施进行加强，部分外围剪力墙墙肢设置型钢承担中震产生的全部拉力。大震下竖向构件均满足抗剪截面验算要求。中震下抗倾覆验算满足要求。总体而言，本结构采取抗震加强措施后，在设防烈度地震（中震）作用下，能够达到《高规》关于性能目标 D 中水准 4 的要求。
4.7 静力弹塑性分析
根据高规第5.1.13条规定“B级高度的高层建筑结构，宜采用弹塑性静力或弹塑性动力分析方法补充计算”。以此了解在地震作用下结构各部位的屈服情况以及罕遇地震作用下结构是否满足抗规“不致倒塌或发生危及生命的严重破坏”的抗震设防目标。
各工况中震和大震作用下的基底剪力、位移、位移角结果见下表：
表6 各地震震工况下结果
4.8 静力弹塑性分析结论
（1）各荷载工况下得到的PUSHOVER曲线均光滑平稳上升，未出现陡降段、突变段、上下曲折摇摆段，各工况能力谱与需求谱均有交点。说明结构整体性能良好。
（2）各工况下，结构在中震和大震作用下的最大层间位移角均未超出规范限值。结构在X、Y两个方向上各个工况的层间位移角都比较平滑，未出现明显的弯折和奇异点，说明结构竖向刚度分布较为均匀，没有明显刚度突变的情况；
（3）中震时，大部分连梁和框架梁处于弹性状态，少数连梁出现塑性铰；绝大部分墙肢处于弹性状态，部分洞口间小墙肢开始屈服；关键构件（底部加强部位剪力墙）个别墙肢局部开始屈服，其他均未屈服。
（4）大震作用时，少部分连梁和框架梁进入屈服阶段，但未完全丧失承载能力；大部分剪力墙处于弹性状态，少数洞口间的小墙肢出现应力集中出现屈服，但未导致结构损坏；底层个别墙体局部开始进入塑性，不影响结构安全，绝大部分剪力墙未屈服。
综合各工况下结果，说明结构整体性能较好，未出现较为严重的薄弱环节和较严重的塑性破坏，结构能够达到性能目标D的要求。
5.抗震构造措施分析
针对本工程超限情况，除严格执行规范、规程相关要求外，采取以下措施：用两个不同力学模型的空间分析程序 YJK、MIDAS BUILDING 进行小震弹性计算，经比较计算结果基本一致，设计时取两个程序计算的较不利结果进行。根据《高规》5.1.13 条规定，采用YJK进行多遇地震作用下的弹性动力时程的补充计算。计算结果取时程法的平均值和振型分解反应谱法的较大值。设计时通过调整地震力增大系数对CQC法计算的内力在某些部分做出调整，并增大该部分配筋等措施。
中震等效弹性结果显示，关键构件承载力均满足中震抗剪弹性、抗弯不屈服要求，大部分普通竖向构件未进入屈服阶段，其抗剪截面验算均满足规范要求；部分连梁出现屈服，但为局部破坏，不危及整个结构安全，满足规范“中震可修”的抗震设防目标。另本结构外围墙肢存在偏拉构件，其中有部分墙肢为小偏心受拉情况，设计时均按特一级构造，墙身配筋率满足0.4%，约束边缘构件配筋率满足1.4%。针对结构部分外围墙肢名义拉应力大于混凝土抗拉强度标准值情况，该部分墙肢均设置型钢，并由型钢承担地震作用产生的全部拉力，所有剪力墙全截面平均名义拉应力均不超过两倍混凝土抗拉强度标准值。
大震推覆计算时，少部分连梁和框架梁进入屈服阶段，但未完全丧失承载能力。由于底层层高较大，个别墙体局部开始进入塑性但不影响结构安全，其他大部分剪力墙未屈服。针对局部剪力墙个别洞间墙应变等级较高的情况，可采取适当加强措施，增大洞口边暗柱配箍率和墙体配筋率，增大局部墙肢边缘构件的配筋率，以提高墙体的延性。
考虑楼梯梯板对楼梯边剪力墙的抗侧力作用，施工图中将梯板和平台板钢筋锚入剪力墙内，并保证其可靠连接，梯板厚度适当增加。
楼梯、电梯及设备洞口周边处楼板板厚 140mm，双层双向配筋，配筋率不小于 0.25%。
6.结语
依据《高规》本结构抗震性能目标为 D 级，通过各个设防水准的抗震计算分析表明在小震时能充分保证各构件处于弹性状态；中震时关键构件抗剪弹性、抗弯不屈服，部分连梁等耗能构件屈服，容许个别剪力墙发生抗弯延性屈服但不发生剪力墙抗剪破坏；大震时允许大多数连梁等耗能构件出现比较严重破坏，吸收大量地震能量，容许部分剪力墙发生抗弯延性屈服但不发生剪力墙抗剪破坏，结构层间位移角均满足规范要求，结构能实现预期的抗震性能目标。
参考文献
[1]混凝土结构设计规范GB50010-2015
[2]高层建筑混凝土结构设计规程JGJ3-2010
[3]XDG-2009-67号地块2A地块项目 32#/33#超限高层建筑工程抗震设计可行性论证报告
论文作者:俞良
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第36期
论文发表时间:2019/4/23
标签：结构论文; 弹性论文; 构件论文; 位移论文; 剪力墙论文; 高度论文; 地震波论文; 《建筑学研究前沿》2018年第36期论文;