余楚江

（廣州市設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 廣州 510620）

1 工程概況

廣州市海珠區(qū)某項(xiàng)目北側(cè)為昌崗中路，南側(cè)為某小區(qū)，項(xiàng)目由4 棟超高層住宅塔樓和局部商業(yè)裙房組成，總建筑面積14.8萬(wàn)m2。本文介紹的A棟超高層住宅樓，地下6 層，地上46 層，建筑總高度147.7 m。地下室主要為機(jī)動(dòng)車(chē)庫(kù)、人防和配套設(shè)備用房；首層為住宅大堂，層高3.5 m（局部通高8.0 m），二層為物業(yè)管理用房，層高4.5 m，3 層以上為住宅區(qū)，層高3.1 m，其中16 層和31 層為避難層，層高4.5 m。建筑效果如圖1所示。

圖1 建筑效果Fig.1 Architectural Effect

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防類(lèi)別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(lèi)（丙類(lèi)），結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.0。

抗震設(shè)防烈度為7 度［1］，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.1g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，場(chǎng)地特征周期為0.35 s。

50 年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓ω0=0.50 kN/m2，地面粗糙度類(lèi)別為C 類(lèi)?？紤]高層結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載比較敏感，結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算取基本風(fēng)壓的1.1 倍［2］。主體結(jié)構(gòu)體型系數(shù)為1.4。

2 結(jié)構(gòu)選型與布置

本項(xiàng)目建設(shè)場(chǎng)地狹小，地下車(chē)道入口設(shè)置于塔樓內(nèi)部，為避開(kāi)地下車(chē)道，局部剪力墻需在首層樓面進(jìn)行轉(zhuǎn)換；首層為住宅大堂和架空活動(dòng)空間，為滿(mǎn)足大空間使用功能要求，3層樓面以下局部取消剪力墻，于3 層樓面采用混凝土框架托墻轉(zhuǎn)換，以滿(mǎn)足上下兩個(gè)功能區(qū)的使用要求。綜合考慮建筑功能需求以及結(jié)構(gòu)合理性，主體結(jié)構(gòu)采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系［3-4］。

按照“均勻、對(duì)稱(chēng)、分散、周邊”的布置原則，結(jié)合住宅平面分隔墻以及中部電梯井、樓梯間墻體位置布置縱橫向剪力墻，并盡量用長(zhǎng)墻肢，避免形成短肢剪力墻，提高結(jié)構(gòu)整體抗震性能和減少墻體厚度，提升建筑內(nèi)部使用空間，剪力墻厚度由底部的400～600 mm，逐漸減薄為200～250 mm，核心筒落地剪力墻厚度不小于300 mm，以提高結(jié)構(gòu)整體抗扭和抗側(cè)剛度，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40～C60。

框支框架為結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件，為了提高其承載能力以及延性，采用型鋼混凝土框支框架，框支柱截面為1 200 mm×2 000 mm，內(nèi)置十1 000（400）×800（400）×60×80 或H800×400×60×80 型鋼；框支梁截面1 200（1 500）mm×2 000 mm，內(nèi)置H1 300×400×60×80型鋼。

地下室與塔樓樓蓋均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)。地下室采用加腋大板，框架梁截面主要為400 mm×600 mm、500 mm×800 mm，板厚180～250 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35；3 層轉(zhuǎn)換層樓面為滿(mǎn)足衛(wèi)生間排水要求，整體降板500 mm，以保證水平力在樓板平面內(nèi)的可靠傳遞，同時(shí)降低框支層的高度，利于提高其抗側(cè)剛度，且可作為首層與三層之間的管線(xiàn)轉(zhuǎn)換空間，板厚取為200 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40；塔樓標(biāo)準(zhǔn)層板厚為100～120 mm，樓梯間與電梯間周邊板適當(dāng)加厚至150 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。

典型結(jié)構(gòu)平面如圖2所示。

圖2 典型結(jié)構(gòu)平面Fig.2 Typical Structure Plan （mm）

3 結(jié)構(gòu)超限情況及抗震性能目標(biāo)

3.1 結(jié)構(gòu)超限情況

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專(zhuān)項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》（建質(zhì)〔2015〕67 號(hào)）［5］、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50011—2010》［1］以及《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 3—2010》［6］進(jìn)行超限情況判定，本項(xiàng)目主屋面高度為147.7 m，超過(guò)框支剪力墻結(jié)構(gòu)100 m 高度限值47.7%，為超限高層建筑，且存在以下不規(guī)則項(xiàng)：

⑴結(jié)構(gòu)考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比為1.4＞1.2，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；

⑵ 15 層X(jué)向偏心率為26.79%、Y向偏心率為18.02%，大于15%，屬于偏心布置；

⑶標(biāo)準(zhǔn)層寬度為21.20 m，凸出部分長(zhǎng)7.15 m，凸出比例為33.7%，大于30%，屬于凹凸不規(guī)則；

⑷三層與首層樓面存在局部托墻轉(zhuǎn)換，屬于構(gòu)件間斷；

⑸首層、二層存在局部穿層柱，屬于局部不規(guī)則。

3.2 抗震性能目標(biāo)

針對(duì)上述不規(guī)則情況，采用基于性能化的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)［6］，結(jié)構(gòu)整體抗震性能目標(biāo)為C級(jí)，對(duì)于框支框架，抗震性能目標(biāo)提高至B級(jí)。

剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)墻肢、框支框架為本項(xiàng)目的關(guān)鍵構(gòu)件；剪力墻非底部加強(qiáng)區(qū)墻肢為普通豎向構(gòu)件；框架梁，剪力墻連梁為耗能構(gòu)件。主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)如表1所示。

表1 主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能目標(biāo)Tab.1 Seismic Performance Objectives of Main Structural Members

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

本項(xiàng)目采用YJK 進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)以及中震和大震下的抗震性能設(shè)計(jì)，采用ETABS復(fù)核小震下的主要整體指標(biāo)，并采用SAUSAGE 進(jìn)行大震下的彈塑性時(shí)程分析。

4.1 整體計(jì)算分析

結(jié)構(gòu)計(jì)算計(jì)入偶然偏心地震作用、雙向水平地震作用及豎向地震作用。地震作用采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行計(jì)算，考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)地震效應(yīng)，3個(gè)方向地震作用X∶Y∶Z=1∶0.85∶0.65。結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05，計(jì)算振型數(shù)取質(zhì)量參與系數(shù)大于90%以上，主要計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 多遇地震下主要計(jì)算結(jié)果Tab.2 Main Calculation Results under Frequent Earthquakes

由表2 可知，兩個(gè)分析程序所得的主要計(jì)算結(jié)果相近，計(jì)算結(jié)果合理有效。結(jié)構(gòu)沿主軸方向振動(dòng)形式相近，結(jié)構(gòu)振型、周期、位移形態(tài)和量值在合理范圍內(nèi)；結(jié)構(gòu)周期比、層間位移比、剛度比以及層間位移角等整體指標(biāo)均滿(mǎn)足文獻(xiàn)［6］的限值要求；構(gòu)件的配筋均在合理范圍，構(gòu)件截面選取合理，結(jié)構(gòu)體系選擇恰當(dāng)。

地下室樓層側(cè)向剛度比分別為3.16（X向）和3.17（Y向），首層可滿(mǎn)足嵌固端的要求；首層剪重比為1.36%（X向）和1.49%（Y向），不滿(mǎn)足最小剪重比要求，全部樓層地震剪力乘以相應(yīng)的放大系數(shù)。

4.2 小震彈性時(shí)程分析

根據(jù)文獻(xiàn)［1］規(guī)定，選取5 組天然波以及2 組人工波進(jìn)行小震下的彈性時(shí)程分析，地震波的頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時(shí)間均滿(mǎn)足要求，按主方向∶次方向∶豎向=1∶0.85∶0.65 的比例輸入，地震波的峰值加速度取35gal，主要結(jié)果如表3所示。

表3 彈性時(shí)程分析主要結(jié)果Tab.3 Main Results of Elastic Time History Analysis

由表3 結(jié)果可知，小震彈性時(shí)程分析各地震波基底剪力在振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算基底剪力的65%～135%之間，7組地震波平均基底剪力在振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算基底剪力的80%～120%之間；X、Y方向的層間位移角最大值分別為1/887 和1/1237，均滿(mǎn)足規(guī)范要求。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)小震彈性時(shí)程分析結(jié)果調(diào)整各層剪力（與剪重比放大系數(shù)包絡(luò)取值），其結(jié)果偏于安全，滿(mǎn)足文獻(xiàn)［6］要求。

4.3 中震抗震性能設(shè)計(jì)

采用YJK 對(duì)結(jié)構(gòu)中震性能水準(zhǔn)3 進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)構(gòu)在中震下X、Y向的層間位移角分別為1/337 和1/455，X、Y向基底剪力分別為小震下基底剪力的2.67倍和2.68倍，均在合理范圍內(nèi)。

中震下，首層部分轉(zhuǎn)換墻肢抗剪截面不滿(mǎn)足要求，設(shè)計(jì)采用內(nèi)嵌鋼板剪力墻，以提高其斜截面承載力及延性性能，如圖3?所示。

圖3 首層內(nèi)嵌鋼板剪力墻及內(nèi)置型鋼剪力墻Fig.3 Embedded Steel Plate Shear Wall on the First Floor and Built-in Steel Shear Wall

首層～7層、低區(qū)避難層以及高區(qū)避難層因?qū)痈咻^高，部分墻肢出現(xiàn)受拉，除右上角墻肢外，受拉墻肢拉應(yīng)力均小于混凝土抗拉強(qiáng)度。設(shè)計(jì)時(shí)于右上角剪力墻內(nèi)設(shè)置型鋼以抵抗拉力，型鋼上下各延伸一層，如圖3?所示。中震出現(xiàn)偏心受拉的墻肢抗震等級(jí)提高至特一級(jí)，對(duì)中震下配筋率較高的小墻肢適當(dāng)增設(shè)型鋼，承當(dāng)部分剪力。

考慮到框支框架的重要性，將框支框架在中震下設(shè)為無(wú)損壞（抗彎抗剪均彈性），即相當(dāng)于第二性能水準(zhǔn)要求，對(duì)其按照第二性能水準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)算，框支框架均滿(mǎn)足計(jì)算要求，無(wú)承載力不足的情況，能滿(mǎn)足性能水準(zhǔn)2的要求。

通過(guò)中震分析對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)，嚴(yán)格控制各構(gòu)件截面（剪壓比）滿(mǎn)足要求，關(guān)鍵構(gòu)件及普通豎向構(gòu)件采用包絡(luò)配筋設(shè)計(jì)。耗能構(gòu)件的縱筋二者相差太大的構(gòu)件，適當(dāng)提高縱筋配筋率，以減小中震的損傷程度，可滿(mǎn)足預(yù)設(shè)的“中震可修”的性能目標(biāo)。

4.4 大震抗震性能設(shè)計(jì)

根據(jù)文獻(xiàn)［6］要求，采用YJK 對(duì)豎向構(gòu)件進(jìn)行第四性能水準(zhǔn)（框支框架性能水準(zhǔn)3）的受剪截面驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果表明，墻柱抗剪截面均滿(mǎn)足要求?？蛑Э蚣芡ㄟ^(guò)箍筋的包絡(luò)設(shè)計(jì)，亦可達(dá)到預(yù)設(shè)的性能目標(biāo)。

4.5 大震動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析

采用SAUSAGE 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震下的動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，研究主要構(gòu)件特別是框支框架的塑性損傷和整體變形情況，以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，并采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施。

選取1 組人工波，2 組天然波，按主方向∶次方向∶豎向=1∶0.85∶0.65的比例輸入，地震波的峰值加速度取220gal，大震彈塑性時(shí)程分析結(jié)果顯示，大震下X、Y向的最大層間位移角分別為1/266 和1/310，均能滿(mǎn)足1/120 的限值要求；結(jié)構(gòu)基底剪力是小震下對(duì)應(yīng)值的3.69～6.00倍，結(jié)構(gòu)部分進(jìn)入彈塑性［7］。

大震作用下，剪力墻墻肢均未出現(xiàn)明顯受壓損傷，絕大部分為無(wú)損壞，局部出現(xiàn)輕微損壞，且損壞多集中在結(jié)構(gòu)底部，轉(zhuǎn)換層樓面以上部位；框支框架無(wú)明顯受壓損壞，僅框支梁有輕微至輕度的受拉損壞；結(jié)構(gòu)主要由連梁和框架梁屈服耗能，出現(xiàn)中度或重度損壞，沿全樓均有分布，且中下部連梁的破壞嚴(yán)重程度明顯高于上部，隨著時(shí)程進(jìn)展，呈現(xiàn)由下部往上部發(fā)展的趨勢(shì)；通過(guò)框架梁、連梁進(jìn)入塑性，消耗了大部分地震動(dòng)輸入能量，并且削弱了結(jié)構(gòu)剛度，從而降低結(jié)構(gòu)的地震作用，保護(hù)了框支框架以及剪力墻等關(guān)鍵構(gòu)件的破壞。

從彈塑性時(shí)程分析結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)的整體塑性變形、關(guān)鍵構(gòu)件和普通豎向構(gòu)件的破壞程度不大，結(jié)構(gòu)可滿(mǎn)足“大震不倒”的預(yù)期性能目標(biāo)。

5 結(jié)構(gòu)專(zhuān)項(xiàng)分析

5.1 框支梁分析

框支框架為本項(xiàng)目的關(guān)鍵構(gòu)件，框支主梁承托上部剪力墻以及轉(zhuǎn)換次梁及其上部剪力墻，荷載重且受力復(fù)雜，有必要進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，以發(fā)現(xiàn)其受力特點(diǎn)，并采取針對(duì)性加強(qiáng)措施［8-9］。選取三層受力最不利的框支梁KZL1～KZL3，如圖2?所示，采用殼單元進(jìn)行中震下性能水準(zhǔn)2的應(yīng)力分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 框支梁應(yīng)力圖Fig.4 Stress Diagram of Frame Supported Beam

由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，框支梁沿長(zhǎng)度方向應(yīng)力分布類(lèi)似“拉桿拱”，符合深梁的受力特征，應(yīng)力最大處位于轉(zhuǎn)換次梁KZL2與框支主梁KZL3的相交處，以及框支主梁KZL3相應(yīng)位置的梁底，最大拉應(yīng)力為33 MPa，相應(yīng)梁底按應(yīng)力配筋面積為318 cm2，實(shí)配縱筋7625，面積為373.16 cm2；最大剪應(yīng)力為2.2 MPa，按應(yīng)力配箍面積為110 cm2/m，實(shí)配箍筋14@100（12），面積為184.8 cm2/m，正截面和斜截面配筋均能滿(mǎn)足要求，且有一定富裕，能滿(mǎn)足“中震彈性”的抗震性能目標(biāo)。

5.2 中震樓板應(yīng)力分析

框支轉(zhuǎn)換層樓板為重要傳力構(gòu)件，不落地剪力墻的剪力需要通過(guò)轉(zhuǎn)換層樓板傳遞到落地剪力墻，樓板面內(nèi)受力復(fù)雜［6］，采用符合樓板實(shí)際剛度的計(jì)算模型進(jìn)行樓板應(yīng)力分析。

由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，除了洞口角部應(yīng)力集中點(diǎn)外，拉應(yīng)力基本在0.1～2.2 MPa之間，均不超過(guò)C40混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.39 MPa?？紤]到轉(zhuǎn)換層樓板的重要性，框支層樓板厚度取200 mm，并采取加強(qiáng)樓板配筋的措施，配置12@150 雙層雙向通長(zhǎng)底、面筋，對(duì)應(yīng)力集中部位，局部加密鋼筋，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換層樓板“中震彈性”的性能目標(biāo)［10］。

6 結(jié)構(gòu)抗震加強(qiáng)措施

根據(jù)本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及計(jì)算分析揭露的薄弱部位，采取以下抗震加強(qiáng)措施［11］：

⑴嚴(yán)格控制豎向構(gòu)件的軸壓比，提高延性性能，底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻豎向及水平分布筋除滿(mǎn)足計(jì)算要求外，最小配筋率提高至0.45%；

⑵框支框架為關(guān)鍵構(gòu)件，為提高其延性，采用型鋼-混凝土構(gòu)件，型鋼含鋼率不少于4%；

⑶根據(jù)動(dòng)力彈塑性分析結(jié)果，對(duì)破壞程度較嚴(yán)重的連梁和框架梁，適當(dāng)加大截面并提高箍筋配箍率，防止發(fā)生斜截面脆性破壞；

⑷為保證水平力可靠傳遞，電梯井以及樓梯間周邊樓板加厚至150 mm，配置雙層雙向通長(zhǎng)鋼筋網(wǎng)，配筋率不小于0.25%；

⑸底部加強(qiáng)部位剪力墻以及中震作用下小偏心受拉墻肢的抗震等級(jí)提高至特一級(jí)；

⑹中震下墻肢平均名義拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，剪力墻增置型鋼以承擔(dān)拉力。

7 結(jié)論

⑴ 本項(xiàng)目采用鋼筋混凝土框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)選型合理，受力體系明確；

⑵采用YJK和ETABS對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震下的對(duì)比計(jì)算分析，結(jié)構(gòu)周期、位移比、剛度比等各項(xiàng)整體指標(biāo)滿(mǎn)足文獻(xiàn)［6］要求，構(gòu)件截面和配筋在合理范圍；

⑶采用擬彈性的計(jì)算方法，進(jìn)行中震和大震下的性能分析，整體結(jié)構(gòu)以及各類(lèi)構(gòu)件均能滿(mǎn)足預(yù)定的抗震性能目標(biāo)；

⑷對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震下的動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，并針對(duì)揭露的薄弱部位和構(gòu)件采取了適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)措施，整體結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)“大震不倒”的性能要求；

⑸對(duì)框支框架、轉(zhuǎn)換層樓板等進(jìn)行了專(zhuān)項(xiàng)分析，并采取了針對(duì)性加強(qiáng)措施，以確保結(jié)構(gòu)安全。