上海复旦规划建筑设计研究院
摘要：高层与超高层建筑的发展已成为国家经济崛起与城市化建设的重要标志，随着建筑工程数量的增多与建筑形体的日益复杂化，对于建筑结构的合理设计及其抗震性能提出了更高的要求。本文以宜昌国际广场2#、3#住宅楼工程项目为例，简要阐释了工程概况及其设计参数，针对住宅楼主体结构设计与多遇地震、罕遇地震下2#和3#楼的弹性时程进行了详细分析，围绕剪力墙、框架柱与楼板应力三个层面，探讨了基于抗震性能优化的2#、3#楼关键构件的具体设计要点与结构综合评价结果，以供参考。
关键词：住宅项目；剪力墙结构；抗震性能
引言：据CTBUH高层建筑年度会议和高层数据统计报告显示，2018年我国200m高度以上建筑完工数量为143座，超300m高的建筑共计18座，占全球总数的61.5%。经济与科技的发展推动了建筑结构形式的更新，近年来地震灾害的频发也对于建筑物抗震设计提出了更高的要求，而剪力墙结构凭借其良好的承载力、抗变形能力在建筑工程抗震设计中得到了日益广泛的应用，如何利用结构设计、弹塑性分析等进行结构性能的有效优化，成为当前亟待解决的问题。
1工程概况与设计参数
1.1工程概况
宜昌国际广场2#、3#住宅建设项目位于宜昌市伍家岗区沿江大道北侧，毗邻长江，东西分别与宜港路、万达路相交，总占地面积为1.7799万m2，地块南北进深80m、东西面宽200m，整体构造近似矩形。该住宅项目由3栋超高层塔楼、4层裙房与3层地下室组成效果图如图1，地上、地下总建筑面积分别为129445.11m2和45718.19m2，总建筑面积为175163.3m2，其中1#为酒店、办公综合楼，2#、3#为住宅楼、地上总建筑面积为38696.63m2，塔楼平面呈矩形，各塔楼间均设缝脱开。2#、3#楼均为地上50层（含避难层），建筑总高度为165.7m，主屋面标高165.55m，室外高差150mm，地上4层裙房的主屋面高度为20.8m，层高分别为5.35，5.10，5.10，5.10m；5，20，36，层为避难层，其余层为住宅，层高均为3.15m，住宅楼结构的使用年限为50年。结构嵌固端为地下室顶板。目前该项目1#已封顶，2#3#已经封顶并开始土建装修。（如图16）
图1.建筑效果图
1.2设计参数
1.2.1结构材料设计
针对不同结构构件的混凝土强度等级进行差异化设计，以剪力墙为例，由基础底板至14层采用C55混凝土，其抗压强度为25.3N/mm2、抗拉强度为1.96N/mm2、弹性模量为3.55×104N/mm2；由15-19层采用C50混凝土，其抗压强度为23.1N/mm2、抗拉强度为1.89N/mm2、弹性模量为3.45×104N/mm2；以此类推，针对35层及以上采用C30混凝土，其抗压强度为14.3N/mm2、抗拉强度为1.43N/mm2、弹性模量为3.00×104N/mm2。
依照《混凝土结构设计规范》与《钢结构设计规范》选取直径在6-50mm间的HRB400钢筋作为建筑结构构件，进行受力钢筋、分布钢筋、箍筋的设计，将其弹性模量控制在2.00×105N/mm2左右，依据主体结构金属类型进行焊条选择。
图16 现场照片
在混凝土保护层设置上，依照一、二类环境进行保护层最小厚度的设计，通常不同环境下的保护层最小厚度差值为5mm，板、墙的混凝土保护层最小厚度应控制在15-25mm间，梁、柱的混凝土保护层最小厚度应控制在20-35mm范围内，且基础钢筋混凝土保护层厚度应不小于40mm，当梁、柱纵向受力钢筋保护层厚度超过50mm时需在外部增设钢筋网片。
在钢材设计上，本工程主要采用Q345B、Q235B两种钢材，其屈服强度与抗拉强度实测值之比应不小于0.85，保障钢材有明显屈服台阶、伸长率大于20%，可焊性、冲击韧性较好。
在隔墙、围护墙设计上，依照要求选取轻质材料，采用加气混凝土砌块配合M5混合砂浆进行隔墙砌筑，确保其容重不超过8.0kN/m3、强度等级不小于A5.0；采用玻璃幕墙作为外墙，确保其容量不超过1.5kN/m2。
1.2.2设计荷载与计算参数
该住宅建筑结构的安全等级为二级，使用年限为50年，抗震设防烈度为6度，结合《建筑抗震设计规范》将主楼地面1-4层剪力墙结构的抗震等级设为一级，5层及5层以上的剪力墙抗震等级均设为二级，并采用弹性动力时程分析法进行建筑结构分析。由于该工程超过A级高度，拟将结构抗震性能目标设为D级，并分别结合框架柱、剪力墙、连梁、框架梁等不同构件的性能要求进行性能目标的设置，以剪力墙为例，在多遇地震下应确保其具备良好弹性，在罕遇地震下允许部分进入塑性耗能，且关键楼层满足抗剪截面要求[1]。在此基础上，依照建筑结构抗震性能要求进行位移和变形限制、整体稳定指标、底部加强区、竖向构件轴压比限值等参数的设计，保障各项指标的合理性。
2结构设计与2#、3#楼弹性时程分析
2.1住宅楼主体结构设计
该项目的2#、3#楼均为50层地上建筑，采用钢筋混凝土剪力墙结构，主楼平面尺寸为28.3m×18.6m，平面图如图2、3，主屋面高165.7m，主楼平面呈矩形、高宽比为8.9，且部分剪力墙、幕墙高出屋面约1层位置，顶标高为174.65m，塔楼标准层楼板厚100mm、屋面板厚120mm，首层楼板厚180mm。由于2#、3#楼的主屋面高度165.7m超过A级高度建筑的最大适用高度限值140m，且两楼在扭转位移比、偏心率、楼板连续性方面存在一般不规则情况，因此还应针对建筑结构进行抗震设防专项审查。在建筑结构设计方面，通过控制塔楼平面的长宽比数值，保障其竖向刚度的均匀分布；采用剪力墙结构进行塔楼处理，其高宽比约为9.0，通过将短向剪力墙与框架梁对齐布设，提高结构的抗侧力性能；通过加强裙房周边梁高、开大洞楼层竖向构件及框架梁板，实现减小扭转效应的目标，避免对结构抗震性能造成负面影响；采用钢筋混凝土柱截面在框架部分设二道防线，使其承担部分楼层地震剪力，配合剪力墙结构形成双重抗侧力结构体系；通过剪力墙开洞打造短剪力墙，使其延性得到显著增强，防范出现脆性破坏问题；此外，还需注重加强对梁板挠度与裂缝、受力复杂楼板的配筋设计，针对3#楼裙房中的梁上起柱问题，依照框支柱要求进行转换柱、起柱梁的内力调整与配筋[2]。
2.2多遇地震下2#、3#弹性分析结果
2.2.1计算参数
采用软件与软件分别进行设计与计算复核，2#、3#楼主体采用剪力墙结构，建筑安全等级为二级、使用年限为50年。结合建筑结构基本情况进行相关参数的计算，其混凝土与钢容重分别为26kN/m3与78kN/m3，嵌固端为地下室顶板，抗震设防烈度为6度，弹性时程计算为7条地震波（如图4）。在多遇地震、设防烈度与罕遇地震下，其地震影系数最大值分别为0.077、0.201、0.335，设计基本地震加速度分别为30.3gal、78.6gal、131.3gal，场地特征周期分别为0.35s、0.4s、0.45s，阻尼比分别为0.05、0.06、0.07，周期折减系数分别为0.9、1.0、1.0，连续刚度折减系数分别为0.7、0.5、0.3。
图4 规范谱与地震波谱对比图
2.2.2反应谱分析与风荷载计算
采用反应谱分别针对、两个程序下的前6阶模态的振型、振动周期等进行分析，获取到其结构动力特性，从计算结果中可以观察到第一阶模态为X向平动，第二阶模态为Y向平动，第三阶模态为扭转模态，扭转周期与平动周期之比小于0.85，满足设计要求。在结构最大位移响应方面，两个程序的计算结果吻合度较高（如图5），结构层间位移沿竖向分布均匀、无过大刚度突变，且层间位移角符合限值（如图6）；在结构楼层剪力方面，两个程序的计算结果吻合良好，结构层剪力与倾覆弯矩沿竖向均匀分布、无明显刚度突变；在结构相对抗侧刚度方面，地上各层刚度均无明显突变，层间位移较小；在结构各层抗剪承载力比方面，其抗剪承载力均高于上层80%，无薄弱层；在偏心率方面，部分楼层平面偏心率较大；在结构稳定性验算方面，其刚重比保持在1.4-2.7范围内，需注重考虑重力二阶效应；在抗倾覆验算方面，截面受压情况、风振舒适度验算数值等均满足要求；在框架承担剪力比方面，其首层框架的倾覆力矩不超过10%，需结合不同方向与框架总剪力设计要求进行系数调整；在嵌固刚度比方面，建筑结构在X、Y两方向上的等效侧向刚度比均超过2.0，满足刚度比设计要求；在结构顶点最大加速度方面，其在X、Y向顺横风向顶点的最大加速度数值均小于0.15m/s2，满足设计要求。
图5 风荷载作用下层位移对比
2.2.3弹性时程分析结果
依照地面运动最大加速度30.3gal进行弹性时程分析，选取5条天然波与2 条人工波作为地震波，采用PKPM软件进行计算，在考虑双向地震动时程的基础上，其双向加速度时程的峰值比为1：0.85。通过观察弹性时程结构响应结果可以发现，7条时程曲线的结构底部剪力均超过反应谱法得出数值的65%，均值较振型分解反应谱法得出结果80%略高，满足设计要求（如图7），且结构剪力分布趋势、层间位移分布规律均具有一致性，无明显剪力突变与刚度突变。由此可以判断出，针对1-33层楼无需调整地震剪力系数，针对33层以上的楼层应依据较大值原理进行地震剪力调整系数的确定[3]。
图8中震作用下层位移及层间位移角
2.2.4中震设计
采用振型分解反应谱法进行中震计算，针对中震弹性构件，其地震影响系数设为0.201，采用强度荷载组合、材料强度设计值、调节系数进行等效反应谱计算；针对中震不屈服构件，其地震影响系数设为0.201，采用标准荷载组合、材料强度标准值、排除调节系数进行等效反应谱计算。在结构位移响应方面，中震荷载下结构位移竖向呈均匀分布，无明显刚度突变，层间位移与位移角均保持在合理范围内（如图8）；在结构楼层剪力方面，中震作用下结构层剪力、倾覆弯矩沿竖向呈均匀分布，无明显突变（如图9）。
2.3罕遇地震下2#、3#楼弹塑性分析结果
2.3.1 2#楼动力弹塑性时程分析结果
采用动力弹塑性时程分析法计算大震作用下结构响应情况，沿X向天然波1、天然波2与人工波的最大层间位移角分别为1/200、1/256、1/259，基底剪力分别为16460kN、12480kN、17270kN（如图10），基底剪重比分别为3.69%、2.8%、3.87%；沿Y向3条波的最大层间位移角分别为1/300、1/271、1/225（如图11），基底剪力分别为24460kN、17850kN、26550kN，基底剪重比分别为5.48%、4%、5.95%。由此可以看出，该建筑结构剪力沿竖向呈均匀分布，无明显突变，符合抗震性能目标要求。
图12 3#楼大震下结构层剪力
图14 首层 标准组合：重力荷载代表值+小震X+风X（N/mm2）
3.1.3楼板应力设计
在楼板应力设计方面，首层和二层楼板在小震和风作用下最大主应力图（如图14），在侧向荷载作用下楼板的主拉应力大多小于混凝土的开裂应力，仅在局部产生主拉应力较大的问题，对此还需注重加强配筋的合理设计，保障楼板能够良好地传递水平力，实现对混凝土裂缝的有效控制。在中震作用下，其关键部位主要集中在5层与标准层楼板处（如图15），主拉应力仅在局部较大，对此也应加强关键部位配筋设计，提高其传递水平力的能力，控制混凝土裂缝[4]。
图15 5层 标准组合：重力荷载代表值+中震X（N/mm2）
3.2结构综合评价
通过采用软件与针对两住宅结构的抗震性能指标进行分析，可以发现二者的计算结果吻合度较高，虽然在部分数值上存在一定偏差，但整体仍保持在现行规范与要求范围内。在小震作用下，地震作用与风荷载成为控制结构整体位移指标的主要因素，在多遇地震下层间位移角符合规范限值要求；在侧向荷载作用下，结构剪力、层间位移角均沿竖向呈均匀分布，剪重比、结构刚度均符合规范要求；在10年重现期风荷载作用下，建筑结构顶部最大加速度未超出规范限值，机构整体舒适度满足设计要求；在中震、大震作用下，结构抗震性能均能够符合预先设定的抗震性能目标，该建筑结构的抗震性能较好[5]。
结论
1、总而言之，本文以宜昌国际广场2#、3#住宅楼结构作为研究对象，该建筑结构采用剪力墙结构体系，建筑不同层级与结构的设计均符合建筑规范要求，能够针对建筑结构中的薄弱部位采用相应构造策略予以优化，确保建筑结构具备较好的抗震性能。通过收集对该建筑不同层面的计算结果可以发现，其各项性能指标均满足国家及区域间颁布的现行设计规范与规程，符合设定的抗震性能目标。在此还应结合施工效率、居住舒适度等指标进行组件制造、结构选型的优化设计，更好地提高结构体系的适用性、优化其整体抗震性能。
2、本工程高宽比接近9.0，远大于规范建议的6.0，导致屋顶的风压舒适度不易满足。在不考虑舒适度的情况下，底部加强区墙体厚度250mm时已满足要求，在考虑风压舒适度的情况下，底部加强区墙体厚度增加至300mm，局部达到了350mm。
3、住宅底部4层裙房为商业，局部有框架结构，框架的底部倾覆力矩分别为3.37%（X向）、1.68%（Y向），小于规范值10%，因此本建筑整体仍按剪力墙结构进行设计，其中的框架部分仍按框架-剪力墙结构中的框架设计。
参考文献
[1]宜昌国际广场项目抗震设防专项审查报告2#、3#住宅楼分册[R]上海：上海思纳建筑规划设计股份有限公司，2017
[2]高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ3-2010[S]北京：中国建筑工业出版社，2010
[3]建筑抗震设计规范：GB50011-2010[S]北京：中国建筑工业出版社，2016
[4]戴陆辉.上海高远广场A楼结构抗震性能分析[J].住宅产业，2018，No.212，（07）：57-61.
[5]孙政，王成刚.3种小高层钢结构体系抗震性能与经济性分析[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2018，41，（12）：100-105+121.
[6]武占鑫.底商多层砌体结构抗震性能对比及倒塌机理分析[D].中国地震局工程力学研究所，2014.
[7]刘鹏飞，魏巍，邱天.重庆某高层剪力墙结构住宅楼超限分析及优化设计[J].特种结构，2018，35，（3）：1-8+14.
[8]张诗茂，段晓农，唐能，等.开洞外墙对工字型平面高层住宅剪力墙结构抗震性能的影响研究[J].海南大学学报：自然科学版，2015，（3）：264-270.
论文作者:王子鸣
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年8期
论文发表时间:2019/8/5
标签：结构论文; 剪力论文; 位移论文; 分别为论文; 荷载论文; 建筑结构论文; 刚度论文; 《建筑学研究前沿》2019年8期论文;