王益山，劉聰明，謝能俏，馮超林，許宇超

（深圳市建筑設(shè)計研究總院有限公司 深圳 518031）

1 工程概況

本項目位于云南省大理州洱源縣，建設(shè)場地北臨緯二路、東臨河濱大道、西臨文碧路。項目地面以上由若干棟15F～18F 高層住宅塔樓及多層商業(yè)裙樓組成，設(shè)1層地下室。建筑效果如圖1所示。

圖1 建筑效果圖Fig.1 Architectural Effect Drawing of the Project

塔樓地上以18層為主，建筑高度54.0 m。由于建筑功能的需求，均采用剪力墻結(jié)構(gòu)，無轉(zhuǎn)換。

本項目結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)周期和設(shè)計使用年限為50年。建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別為丙類。該項目抗震設(shè)防烈度8 度，設(shè)計基本地震加速度為0.30 g，設(shè)計地震分組為第三組，建筑場地類別為Ⅲ類，特征周期為0.65 s。按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009-2012》，本項目基本風(fēng)壓為0.65 kN/m2，地面粗糙度為C 類。結(jié)構(gòu)計算的嵌固端設(shè)在地下室頂板。采用 PKPM（V4.2 版本）［1］軟件對本項目塔樓進行小震結(jié)構(gòu)設(shè)計。本文以9號樓為例，重點介紹高烈度區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計中如何處理常遇問題的一些方法。

2 場地對結(jié)構(gòu)的影響

本項目場地10 km 范圍內(nèi)屬發(fā)震斷裂帶，對結(jié)構(gòu)進行性能化設(shè)計時根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范：GB 50011-2010（2016年版）》［2］（以下簡稱《抗規(guī)》）3.10.3條需考慮近場效應(yīng)，增大系數(shù)宜取值1.5。同時《抗規(guī)》4.1.7條規(guī)定在采用小震彈性反應(yīng)譜進行結(jié)構(gòu)抗震承載力驗算時，抗震設(shè)防烈度為8 度和9 度時，隱伏斷裂的土層覆蓋厚度分別大于60 m 和90 m 時，可忽略斷裂錯動對地面建筑的影響。本項目的土層覆蓋厚度大于60 m，故小震設(shè)計時未考慮近場放大效應(yīng)。

3 結(jié)構(gòu)布置

9號樓建筑共18F，結(jié)構(gòu)高度為54.0 m，結(jié)構(gòu)長度為28.6 m，結(jié)構(gòu)寬度13.6 m，故結(jié)構(gòu)高寬比為3.97，結(jié)構(gòu)長寬比為2.1。墻厚為200～300 mm，剪力墻布置如圖2、圖3所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖Fig.2 The Structure Plan View of Standard Layer

圖3 結(jié)構(gòu)模型Fig.3 The Structure Model

樓面結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓蓋體系，考慮到地下室頂板為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端，加強地下室頂板梁柱結(jié)構(gòu)體系。墻柱混凝土為C50～C60，梁板為C30；鋼筋強度等級為HRB400，HRB500；現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板式樓蓋地下室頂板板厚180 mm，核心筒內(nèi)、塔樓屋面板厚120 mm，標(biāo)準(zhǔn)層板厚100～130 mm；標(biāo)準(zhǔn)層框架梁截面最大300 mm×1 250 mm，最小200 mm×450 mm；標(biāo)準(zhǔn)層剪力墻厚度最大300 mm，最小200 mm。

4 設(shè)計中的難點及處理方法

本項目位于云南省，指標(biāo)控制需滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 3-2010》［3］（以下簡稱《高規(guī)》）的要求，小震作用下的位移角限值按1/1 000 執(zhí)行。在計算過程中發(fā)現(xiàn)，由于地震力隨著剪力墻的厚度增加而增加，但只增加剪力墻的厚度并不能有效地控制位移，反而會適得其反，需采取其他途徑降低地震力或提高建筑物的抗側(cè)剛度。其次墻肢及連梁、框架梁的剪壓比非常容易超限。剪壓比是保證建筑高層結(jié)構(gòu)延性、安全度的重要措施，需采用有效措施調(diào)整以滿足規(guī)范要求。高烈度項目四周的墻肢承載力基本處于拉彎狀態(tài)，承載力也很容易超限，也需解決。

4.1 位移角的處理方法

⑴剪力墻布置的時候要考慮腹板和翼緣的共同作用［4］。在滿足建筑功能的情況下盡量在四周墻體處多設(shè)有效翼緣，不要無謂的增加墻長及厚度。因為在分析計算一個主軸方向的剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度時，另一個主軸方向與這個計算主軸方向剪力墻端部相連的有效翼緣會一起協(xié)同工作。對提高整體抗側(cè)剛度十分有效。

⑵《抗規(guī)》5.2.7條，結(jié)構(gòu)抗震計算，一般情況下可不計入地基與結(jié)構(gòu)相互作用的影響。由于本項目嵌固端取在地下室頂板，故上部結(jié)構(gòu)設(shè)計只取了地上模型，并未帶入地下室［5］。

⑶根據(jù)《抗規(guī)》6.2.13條文說明，計算位移時連梁剛度可不折減。

⑷重力荷載值做到精細。在高烈度區(qū)，地震力對重力荷載的大小十分敏感，荷載取值過高，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)既不安全也不經(jīng)濟。在設(shè)計過程中，首先采用輕質(zhì)隔墻材料，比如加氣混凝土砌塊等；其次梁上磚墻荷載扣除梁高、考慮門洞的影響；考慮扣除掉梁板重疊、墻板重疊的重量，這點在高烈度區(qū)設(shè)計時尤其重要。

4.2 剪壓比超限的處理方法

規(guī)范針對不同的構(gòu)件分別給出了剪壓比的不同限值。為了保證構(gòu)件的延性，高烈度區(qū)更應(yīng)該從嚴控制。當(dāng)剪壓比超過規(guī)范限值時，構(gòu)件的剛度和強度都會有明顯的退化，此時增加箍筋用量，也不能發(fā)揮作用，因此對構(gòu)件的截面尺寸有所要求［6］。本項目針對不同的構(gòu)件采取了以下不同的措施：

⑴針對連梁：采用設(shè)雙連梁，設(shè)置交叉斜筋，縮短墻肢長度減小連梁剪力，提高混凝土等級等措施；

⑵針對剪力墻：采用提高混凝土等級，縮短墻肢，調(diào)整周邊剪力墻布置等措施，根據(jù)《抗規(guī)》6.2.9條驗算剪力墻剪壓比的截面可采用墻肢長度，軟件計算采用的是有效高度；

⑶針對框架梁：采用局部指定混凝土等級同剪力墻，調(diào)整支座剪力墻的長度，設(shè)置鋼骨等措施。

4.3 墻肢承載力超限的處理方法

高烈度底部加強區(qū)的墻肢很容易處于拉彎受力狀態(tài)，由于軟件默認的暗柱長度為400 mm，很容易就導(dǎo)致墻肢承載力超限?？刹捎靡韵聝煞N方式處理：

⑴提高墻身豎向分布筋的配筋率。由于豎向分布筋是均勻布置在墻體中，而非集中布置在墻體兩端，導(dǎo)致抵抗彎矩的力臂作用有限，墻身分布筋對截面承載力貢獻不大，故采用此方法時造價會急劇上升。

⑵按實際的計算結(jié)果人為調(diào)整暗柱的尺寸大小，控制暗柱的配筋率小于5%，此時由于暗柱中的鋼筋合力點的力臂發(fā)生了變化，需要反算承載力，對原計算結(jié)果進行放大修正。本項目放大系數(shù)約為1.1。

5 結(jié)構(gòu)安全性評估

由于該項目位于強震區(qū)，如何最大限度減輕地震災(zāi)害所造成的經(jīng)濟損失、人員傷亡和社會負面影響是值得關(guān)注的。本文從結(jié)構(gòu)體系的分析和兩階段設(shè)計方法兩個方向?qū)Y(jié)構(gòu)安全性進行評估。

5.1 結(jié)構(gòu)體系的分析

關(guān)于剪力墻結(jié)構(gòu)的基本組成，《高規(guī)》7.1.1條明確規(guī)定“剪力墻平面布置宜簡單、規(guī)則，宜沿兩個主軸方向或其他方向雙向布置，兩個方向的側(cè)向剛度不宜相差過大?？拐鹪O(shè)計時，不應(yīng)采用僅有單向有墻的結(jié)構(gòu)布置。”文獻［7］中描述，可以通過高低階的振動頻率判斷結(jié)構(gòu)的變形特征，判別其結(jié)構(gòu)體系。彎曲變形的高階頻率比一般為 1∶4∶9，剪切變形的高階頻率比一般為 1∶2∶3。

由于剪力墻結(jié)構(gòu)的變形主要以彎曲變形為主，故關(guān)注兩個主軸方向的高階頻率比值是否滿足上述比值，即可判別結(jié)構(gòu)體系是否合理。圖4為9號樓小震作用的位移角曲線。表1為前9 個振型下的結(jié)構(gòu)周期及振型方向。

圖4 小震最大層間位移角簡圖Fig.4 Diagram of Maximum Inter-layer Displacement Angle of Small Earthquake

表1 結(jié)構(gòu)周期及振型方向Tab.1 The Period and Mode Direction of the Structure

由表1可得，X方向高階頻率比值為 1∶3.21∶5.88；Y 方向高階頻率比值為1∶4.27∶9.27。故可得出結(jié)論：Y方向?qū)儆凇陡咭?guī)》中剪力墻范疇，而X 方向不屬于剪力墻的范疇。從本質(zhì)上來說，X 方向?qū)儆趩畏较蛏賶Y(jié)構(gòu)［8］。需對 X 方向的墻肢進行加強。文獻［9］提供了處理及加強的方法，主要措施如下：⑴在少墻方向的單向地震作用下，使少墻方向的剪力墻承擔(dān)該方向全部樓層剪力墻所承擔(dān)剪力；⑵設(shè)計使端柱翼墻框架柱承擔(dān)不小于20%樓層剪力。具體處理方法本文不再贅述。

5.2 大震彈塑性位移角

采用中國建筑科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)計算軟件PUSH&EDPA 進行罕遇地震作用下靜力彈塑性分析（即Pushover），復(fù)核罕遇地震作用下的位移角是否滿足規(guī)范限值1/120 的要求。圖5為結(jié)構(gòu)層間位移角分析結(jié)果，X 方向?qū)娱g位移角最大值為1/180，Y 向為1/166，均小于規(guī)范限值。

圖5 大震最大層間位移角簡圖Fig.5 Diagram of Maximum Inter-layer Displacement Angle of Large Earthquake

6 經(jīng)濟性指標(biāo)

目前針對高烈度區(qū)的高層建筑經(jīng)濟性指標(biāo)數(shù)據(jù)比較少，文獻［10］中僅給出了多層結(jié)構(gòu)的混凝土及鋼筋含量數(shù)據(jù)。為了給其他類似高層項目提供參考，本項目對鋼筋及混凝土用量做了統(tǒng)計，鋼筋含量約為60 kg/m2，混凝土用量約為0.40 m3/m2。若建筑專業(yè)在滿足功能的前提下，能減小一部分凸窗尺寸，增加周邊剪力墻翼緣的長度，同時謹慎采用提高豎向分布筋配筋率時，鋼筋含量可以控制在55～60 kg/m2范圍內(nèi)。

7 結(jié)語

本項目屬于高烈度區(qū)高層住宅建筑。該項目具有地震力大，單向少墻的結(jié)構(gòu)特點。針對該工程特點，總結(jié)如下：

⑴對待高烈度項目，要精細化設(shè)計，結(jié)構(gòu)布置要合理。針對設(shè)計過程出現(xiàn)的不同問題，有針對性地采取措施。同時對薄弱環(huán)節(jié)采取多手段分析進行加強；

⑵采用兩階段設(shè)計方法，進一步評估結(jié)構(gòu)的安全性；

⑶提供了該項目的經(jīng)濟核算數(shù)據(jù)，給類似項目提供參考。

⑷在設(shè)防烈度8 度（0.3 g），場地類別Ⅲ類地區(qū)，建筑物的高度若超過18F，可以考慮隔震技術(shù)。