某超限高層建筑框架—剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能分析與設(shè)計(jì)

彭光宇

同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司 上海 200092

1 工程概況

館員住宅塔樓地上17層，地下1層，地上部分結(jié)構(gòu)高度約57m，地下室層高5.6m，為高層建筑。因本單體地下室周邊局部區(qū)域地面標(biāo)高低于地下室頂板標(biāo)高，地下室未完全埋入地面以下，且東南側(cè)局部區(qū)域?yàn)殚_敞的下沉庭院，地下室頂板較大范圍缺失，基于以上因素，本單體嵌固端設(shè)置于地下室底板；本單體嵌固端為基礎(chǔ)頂，結(jié)構(gòu)總高度62.20m，屬于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，高度不超限。

本建筑考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比最大值為1.22，大于限值1.2，小于1.4，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；本建筑一層偏心率為0.20大于0.150，屬于偏心布置；屋面構(gòu)架層局部柱因向內(nèi)移動(dòng)，形成梁上立柱，屬于局部不規(guī)則[3]；二層與地下室頂板Y向質(zhì)心偏心距為18.3m；與地下室頂板Y向邊長(zhǎng)53.8m的比值為34%，大于20%，屬于塔樓偏置。根據(jù)建質(zhì)[2015]67號(hào)文，本項(xiàng)目屬于超限高層建筑。

圖1 一層結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖2 二層結(jié)構(gòu)平面布置圖

2 基礎(chǔ)及地下室設(shè)計(jì)

場(chǎng)地淺部地基土層物理力學(xué)性質(zhì)較差，建筑對(duì)變形敏感，天然基礎(chǔ)和一般的地基處理較難滿足地基承載力要求。故主體結(jié)構(gòu)采用樁基礎(chǔ)，樁型選用灌注樁。

高層塔樓范圍以6-1層全-強(qiáng)風(fēng)化泥巖為樁端持力層，極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值為2000kPa，灌注樁直徑采用700mm，有效樁長(zhǎng)為45m，預(yù)估單樁豎向承載力特征值約為3500KN。

純地下室區(qū)域以2-3層粉質(zhì)粘土或3層粉質(zhì)粘土為樁端持力層，極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值為1500kPa，灌注樁直徑采用600mm，有效樁長(zhǎng)為20m，預(yù)估單樁豎向抗壓承載力特征值約為1200KN，且純地下室區(qū)域存在抗浮工況，灌注樁兼做抗拔樁，預(yù)估單樁豎向抗拔承載力特征值約為700KN。

無地下室區(qū)域以4-2層中風(fēng)化凝灰?guī)r為樁端持力層，極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值為1500kPa，灌注樁直徑采用600mm，有效樁長(zhǎng)為25m，預(yù)估單樁豎向抗壓承載力特征值約為1300KN。

帶地下室區(qū)域采用樁筏基礎(chǔ)，筏板厚度主要為500厚，柱下布置承臺(tái)，剪力墻下筏板局部加厚，滿足沖切承載力要求；框架柱、剪力墻下樁基相對(duì)集中布置，樁距主要3.0D。

3 上部主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

項(xiàng)目所在場(chǎng)區(qū)地的抗震設(shè)防烈度為7度(0.10g)，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為III類，特征周期為0.45s，住宅抗震設(shè)防重要性類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類）；本項(xiàng)目單體擬采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，框架抗震等級(jí)為二級(jí)、剪力墻抗震等級(jí)為二級(jí)；本工程建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50年，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0。

表1 地震作用及結(jié)構(gòu)分析參數(shù)（水平地震作用）

3.2 結(jié)構(gòu)超限情況及采取的對(duì)應(yīng)措施

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)文），本項(xiàng)目主要超限情況如下。

3.2.1 規(guī)則情況

（1）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則：考慮偶然偏心扭轉(zhuǎn)位移比最大值為1.22，大于1.2，小于1.4；（2）偏心布置：本建筑一層偏心率為0.20大于0.150；（3）局部不規(guī)則：屋面構(gòu)架層局部柱因向內(nèi)移動(dòng)，形成梁上立柱；（4）塔樓偏置：二層與地下室頂板Y向質(zhì)心偏心距為18.3m；與地下室頂板Y向邊長(zhǎng)53.8m的比值為34%，單塔與大底盤的質(zhì)心偏心距大于底盤相應(yīng)邊長(zhǎng)20%；

（1）與（2）項(xiàng)屬于同一類超限，合并為一項(xiàng)，綜合判定共3項(xiàng)超限項(xiàng)，屬于特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)，按要求需進(jìn)行超限高層抗震設(shè)防專項(xiàng)審查；經(jīng)超限評(píng)審會(huì)討論及與專家溝通，針對(duì)本單體超限項(xiàng)次采取相應(yīng)措施進(jìn)行加強(qiáng)[2-3]。

3.2.2 加強(qiáng)措施

整體的概念加強(qiáng)措施：①結(jié)構(gòu)布置上盡量根據(jù)結(jié)構(gòu)平面、立面特點(diǎn)布置結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件，使結(jié)構(gòu)剛心和質(zhì)心盡量一致，并滿足剛度要求。通過對(duì)外圍構(gòu)件進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)來提高結(jié)構(gòu)平面的抗扭轉(zhuǎn)剛度。建筑兩側(cè)均布置剪力墻，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，現(xiàn)以扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與以平動(dòng)為主的第一自振周期之比小于0.9。②豎向體型突變部位（地下室頂板），板厚均大于150，樓板貫通筋配筋率提高至0.25%；體型突變部位上層結(jié)構(gòu)的樓板配筋雙面雙向拉通，構(gòu)造措施適當(dāng)加強(qiáng)。③立面收進(jìn)、塔樓偏置樓層，對(duì)收進(jìn)部位以下2層結(jié)構(gòu)周邊的豎向構(gòu)件配筋構(gòu)造措施進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)，合理控制軸壓比。立面收進(jìn)部位上、下各2層塔樓框架柱、剪力墻的抗震等級(jí)提高一級(jí)，為一級(jí)。④屋面局部轉(zhuǎn)換梁按轉(zhuǎn)換構(gòu)件要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)換梁配筋及構(gòu)造措施適當(dāng)加強(qiáng)。⑤考慮到本項(xiàng)目不規(guī)則項(xiàng)次較少，塔樓偏置情況是由于地下室單面開敞所致，故本項(xiàng)目?jī)H采用進(jìn)行針對(duì)性加強(qiáng)的方式，對(duì)有關(guān)構(gòu)件提高抗震等級(jí)等措施進(jìn)行加強(qiáng)，滿足抗震性能要求。⑥采用多種不同計(jì)算方法，包多遇地震下反應(yīng)譜計(jì)算、彈性時(shí)程分析，罕遇地震下靜力彈塑性分析等，尋找結(jié)構(gòu)薄弱部位，通過提高構(gòu)件配筋，增大截面等方式進(jìn)行針對(duì)性加強(qiáng)。

3.3 彈性分析主要計(jì)算結(jié)果

本工程彈性分析采用YJK(盈建科)軟件作為主要計(jì)算分析軟件，以Etabs軟件作為輔助軟件進(jìn)行計(jì)算校核。彈性分析結(jié)果如表2所示，計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

表2 線彈性分析計(jì)算結(jié)果匯總

3.5 彈性時(shí)程分析

本項(xiàng)目彈性時(shí)程分析選用了5組實(shí)測(cè)地震波和2組人工地震波進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算。在地震波選用中綜合考慮場(chǎng)地類別、數(shù)量、頻譜特性、有效峰值、持續(xù)時(shí)間、統(tǒng)計(jì)特性、震源機(jī)制以及工程判斷幾個(gè)方面的要求，最終的選波及線彈性時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 彈性時(shí)程分析與CQC方法的比較

3.6 靜力彈塑性分析

本工程項(xiàng)目單體采用PUSH程序進(jìn)行X+、X-、Y+、Y-四個(gè)方向的靜力推覆分析。側(cè)推荷載分別采用倒三角形分布和彈性CQC 地震力分布模式，側(cè)推荷載總量最大加載到結(jié)構(gòu)總重量的100%，逐步加載非線性分析。計(jì)算結(jié)果顯示，罕遇地震作用下的基地剪力為多遇地震下的2.6~3.0倍左右，其中X方向罕遇地震下的性能點(diǎn)最大層間位移角為1/336（8F），Y方向罕遇地震下的性能點(diǎn)最大層間位移角為1/224（18F）。

在施加水平方向推覆力時(shí)，首先在中間樓層出現(xiàn)連梁出鉸，隨著推覆力的不斷較大，其他各層也出現(xiàn)連梁出鉸，隨后個(gè)別框架柱也出現(xiàn)塑性鉸；局部柱出現(xiàn)一定程度的損傷，后續(xù)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)相應(yīng)柱進(jìn)行配筋加強(qiáng)。在達(dá)到罕遇地震性能點(diǎn)時(shí)，局部樓層的框架梁及部分框架柱出現(xiàn)了塑性鉸，但主要的框架柱、梁等關(guān)鍵構(gòu)件均沒有出現(xiàn)塑形鉸，結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范規(guī)定的要求，同時(shí)可以滿足“大震不倒”的性能目標(biāo)要求。

4 結(jié)論

本文以工程項(xiàng)目為背景，詳述了對(duì)該項(xiàng)目框架剪力墻結(jié)構(gòu)單體的線彈性分析、彈性時(shí)程分析及靜力彈塑性分析。主要結(jié)論如下：

⑴該結(jié)構(gòu)在小震作用下，最大層間位移角為1/1019，小于1/800，滿足規(guī)范規(guī)定的要求，且有較大的富余量。

⑵結(jié)構(gòu)第一階平動(dòng)周期為1.91s，第一階扭轉(zhuǎn)周期為1.700s，周期比值為0.87，表明結(jié)構(gòu)布置合理，且具有較大的抗扭剛度。

⑶彈性時(shí)程分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)位移基本連續(xù)，位移角平均值滿足規(guī)范規(guī)定的不大于 1/800的要求，彈性時(shí)程計(jì)算結(jié)果總體上小于反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果，兩種方法的計(jì)算結(jié)果基本吻合，滿足規(guī)范要求。

⑷靜力彈塑性分析結(jié)果表明在預(yù)估的罕遇作用下最大彈塑形層間位移角為1/224，小于1/50，滿足規(guī)范要求。