超B級(jí)高度超限高層剪力墻結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)

肖 云

（深圳市建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣東 深圳 518031）

1 工程概況

工程為廣東某超高層住宅，共10棟塔樓，地下室3層，地上部分設(shè)縫分開(kāi)，地下部分與車庫(kù)連為一體。結(jié)構(gòu)第一層和第二層為商業(yè)用房，結(jié)構(gòu)第二層以上為住宅用房，剪力墻的荷載在第二層通過(guò)框支梁傳至框支柱，同時(shí)部分剪力墻落地設(shè)置荷載傳至基礎(chǔ)。文章就8#塔樓（結(jié)構(gòu)高度為146.35m，層高51層）進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)?？拐鹪O(shè)防類別為乙類，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)；工程所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度（0.10g），設(shè)計(jì)基本地震加速度0.08g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，50年一遇基本風(fēng)壓0.75kN/m2，地面粗糙度類別為C類。

2 結(jié)構(gòu)體系及特點(diǎn)

2.1 結(jié)構(gòu)體系和主要構(gòu)件

8#塔樓為部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系如圖1、圖2所示，轉(zhuǎn)換層在地面第二層（樓面標(biāo)高為+12.500m），除塔樓中央核心筒剪力墻及外圍4片剪力墻直接落地外，其余剪力墻均通過(guò)框支梁轉(zhuǎn)換至框支柱。構(gòu)件抗震等級(jí)：裙房框架梁、柱抗震等級(jí)為一級(jí)，框支框架（框支梁、柱）和落地剪力墻抗震等級(jí)為特一級(jí)，其他剪力墻抗震等級(jí)為一級(jí)。

圖1 塔樓結(jié)構(gòu)的三維軸測(cè)圖

圖2 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

2.2 超限情況

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》（建質(zhì)〔2015〕67號(hào)）和《廣東省超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查實(shí)施細(xì)則》（粵建市〔2016〕20號(hào)），對(duì)該塔樓超限情況對(duì)照相關(guān)規(guī)范規(guī)程進(jìn)行檢查，結(jié)果如下：

（1）房屋高度：結(jié)構(gòu)高度為146.35m，采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系，大于B級(jí)高度鋼筋混凝土高層建筑抗震設(shè)防烈度7度（0.10g），高度120m限值。

（2）不規(guī)則類型：考慮偶然偏心情況下X向扭轉(zhuǎn)位移比最大值為1.21，Y向扭轉(zhuǎn)位移比最大值為1.18；X向大于1.2的限值。凹凸不規(guī)則平面的凹凸尺寸大于相應(yīng)邊長(zhǎng)30%。樓板不連續(xù)有效寬度小于50%，開(kāi)洞面積大于30%，錯(cuò)層大于梁高。構(gòu)件間斷上下墻、柱、支撐不連續(xù)，含加強(qiáng)層、連體類。

綜上所述，該塔樓為超B級(jí)高度鋼筋混凝土建筑工程，同時(shí)具有四項(xiàng)不規(guī)則類型：扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、樓板不連續(xù)、構(gòu)件間斷。

2.3 性能目標(biāo)

該工程綜合考慮了結(jié)構(gòu)的特殊性、結(jié)構(gòu)的超限情況、建筑費(fèi)用等各項(xiàng)因素，選定結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)為C級(jí)，如表1所示。

表1 C級(jí)結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

3 結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)采取的構(gòu)造措施

（1）在框支構(gòu)件周邊設(shè)置4片落地剪力墻，提高結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層以下部分側(cè)向剛度，為框支梁提供支撐；將支承框支梁的剪力墻豎向分布筋最小配筋率提高至0.6%。

（2）轉(zhuǎn)換層上部?jī)蓪樱?F、4F）剪力墻，其抗震構(gòu)造措施提高至特一級(jí)。

（3）支承框支梁的落地剪力墻端柱，按柱考慮，進(jìn)行兩個(gè)方向的承載力驗(yàn)算，同時(shí)按照特一級(jí)框架柱與約束邊緣構(gòu)件的構(gòu)造要求進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。

（4）部分承擔(dān)扭矩、剪力較大的框支梁，采取水平加腋處理，并加強(qiáng)剪扭構(gòu)件配筋控制；在受剪力較大的部分框支梁內(nèi)設(shè)置窄翼緣型鋼，提高抗剪承載力。

（5）轉(zhuǎn)換區(qū)域采用厚度為180mm的樓板，板配筋雙層雙向拉通布置，轉(zhuǎn)換區(qū)域樓板配筋率控制在0.40%以上。

4 結(jié)構(gòu)彈性分析結(jié)果

4.1 整體計(jì)算結(jié)果

該工程采用盈建科建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件與ETABS房屋建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行了多遇地震與風(fēng)荷載作用下的彈性分析，如圖3～圖6所示，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

小震作用下、風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的層剪力和層間位移角的結(jié)果如圖3～圖6所示，小震作用下的層間位移角X向?yàn)?/1076、Y向?yàn)?/1543，風(fēng)荷載作用下的層間位移角X向?yàn)?/858、Y向?yàn)?/1065，均小于《廣東省標(biāo)準(zhǔn)高層建設(shè)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（DBJ 15—92—2013）規(guī)定的1/800的限值。

本層層側(cè)向剛度與上層側(cè)向剛度的70%和上部三層剛度平均值的80%較大值之比值如圖7所示，結(jié)構(gòu)豎向剛度比均大于1，說(shuō)明結(jié)構(gòu)剛度均勻，不存在薄弱層，滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）中規(guī)定，側(cè)向剛度小于相鄰上層的70%，或者小于其上相鄰三層側(cè)向剛度的80%則為薄弱層。在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3—2010）規(guī)定，B級(jí)高度高層建筑的樓層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪承載力大于其相鄰上一層受剪承載力的80%，該項(xiàng)目計(jì)算結(jié)構(gòu)均大于0.8，滿足規(guī)范要求，如圖8所示。

圖3 小震作用下剪力

圖4 小震作用下層間位移角

圖5 風(fēng)荷載作用下剪力

圖6 風(fēng)荷載下層間位移角

表2 整體分析結(jié)果

圖7 層間剛度比

圖8 層間受剪承載力之比

4.2 小震彈性時(shí)程分析

該工程選用2組天然波和1組人工波進(jìn)行時(shí)程分析，選取計(jì)算的平均值和振型分解反應(yīng)譜的結(jié)果進(jìn)行比較，基底剪力結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明，每條地震波時(shí)程曲線計(jì)算所得底部剪力不低于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，多條地震波時(shí)程曲線計(jì)算所得底部剪力不低于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%，說(shuō)明地震波選取合適。對(duì)天然波1、2、人工波計(jì)算結(jié)果與CQC法進(jìn)行比較，結(jié)果如圖9、圖10所示。時(shí)程分析結(jié)構(gòu)與分解反應(yīng)譜在統(tǒng)計(jì)意義上相符，3組地震波下的結(jié)構(gòu)層剪力受鞭梢效應(yīng)的影響頂部局部樓層結(jié)構(gòu)層剪力大于CQC法剪力值，在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)頂部幾層的剪力進(jìn)行調(diào)整。

表3 三組波計(jì)算的基底剪力

圖9 X/Y向時(shí)程分析層剪力結(jié)果

圖10 X/Y向時(shí)程分析層間位移角結(jié)果

5 結(jié)構(gòu)中震分析

5.1 中震整體分析

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了中震型分解反應(yīng)譜法分析，中震作用下彈性分析的層剪力和層間位移角如圖11、圖12所示，計(jì)算結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明在中震作用下結(jié)構(gòu)的層間位移角和地基剪力為小震作用下的2.71倍，而中震分析地震反應(yīng)譜的最大地震影響系數(shù)為小震的2.83倍，說(shuō)明中震作用下結(jié)構(gòu)剛度退化很小，基本仍在彈性階段工作。

5.2 中震彈性分析和中震不屈服分析

對(duì)轉(zhuǎn)換柱和落地墻進(jìn)行編號(hào)，中震不屈服驗(yàn)算結(jié)果表明，在中震不屈服作用下所有轉(zhuǎn)換柱和落地剪力墻均未出現(xiàn)拉應(yīng)力。利用Xtract軟件采用平截面假定，計(jì)算框支柱和落地剪力墻的拉彎、壓彎承載力包絡(luò)曲線，再驗(yàn)算框支柱的中震彈性抗彎結(jié)果，驗(yàn)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)框支柱均能滿足中震抗彎彈性的要求。

因?yàn)橹姓鹣驴蛑Я嚎箯澇休d力、框支梁抗剪承載力、落地剪力墻、轉(zhuǎn)換層上部剪力墻、框架梁、連梁等其他構(gòu)件均滿足性能目標(biāo)，所以在中震下結(jié)構(gòu)構(gòu)件均滿足性能水準(zhǔn)3的要求。

圖11 下層剪力

圖12 下層間位移角

表4 中震計(jì)算結(jié)果匯總

6 大震彈塑性時(shí)程分析

利用PERFORM 3D軟件，進(jìn)行了大震作用下結(jié)構(gòu)的彈塑性時(shí)程分析，如圖13所示，計(jì)算結(jié)果如表5所示。結(jié)果表明，在天然波1、天然波2、人工波作用下剪力墻沒(méi)有產(chǎn)生較大面積壓損傷，剪力墻墻身鋼筋基本未屈服，剪力墻控制在輕微損壞范圍內(nèi)；框支柱混凝土最大壓應(yīng)變小于混凝土峰值壓應(yīng)變，且框支柱縱向鋼筋未屈服，框支柱基本處于輕微損壞；框支梁混凝土最大壓應(yīng)變小于混凝土峰值壓應(yīng)變，且框支梁縱向鋼筋都未屈服，框支梁基本處于輕微損壞；連梁部分混凝土出現(xiàn)壓損傷，且部分連梁縱向鋼筋屈服，連梁可控制在中等損壞范圍之內(nèi)；框梁出現(xiàn)部分抗彎屈服，但框梁可控制在中等損壞范圍內(nèi)；轉(zhuǎn)換層樓板混凝土沒(méi)有產(chǎn)生大面積壓損傷部位，轉(zhuǎn)換層樓板可控制輕度損傷范圍之內(nèi)。結(jié)構(gòu)整體能實(shí)現(xiàn)大震不倒，構(gòu)件能達(dá)成設(shè)定的性能目標(biāo)。

圖13 X/Y向大震三條波作用下結(jié)構(gòu)層間位移角曲線

表5 大震三條地震波計(jì)算結(jié)果匯總

7 結(jié)論

該工程選定結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)為C級(jí)，在設(shè)計(jì)中采取一系列抗震加強(qiáng)措施保證結(jié)構(gòu)的安全可靠，經(jīng)分析表明，所有計(jì)算結(jié)果均能滿足規(guī)范與規(guī)程要求，在小震、中震、大震作用下結(jié)構(gòu)各計(jì)算分析都能滿足設(shè)定的性能水準(zhǔn)要求。