某超高層剪力墻結構方案優化設計

王舜奇 宋 剛 宋化為

1 工程概況

武漢市江岸區某項目由于地處城區中心繁華地段，業主方擬建為超高層住宅，該項目高層主體結構高度約為170 m，地上層數為58層，為全現澆鋼筋混凝土剪力墻結構。為了保證本工程建筑方案的順利實施及更好的控制本工程結構設計的合理性和經濟性，我公司按目前方案進行了結構計算分析，并與武漢市近年來設計的類似項目綜合比較。

本工程方案平面寬度約為34.7 m，寬度約為19.9 m，地上1層高度約為4.5 m，標準層層高約為2.9 m，結構總高度約170 m，屬于《高層建筑混凝土結構技術規程》中規定的B級高度高層建筑，需進行超限高層專項審查。本工程高寬比達到8.5左右，超過B級高度高寬比限制，對結構經濟性有一定影響。

2 自然條件

根據武漢市《關于進一步加強建設工程抗震設防要求管理的通知》(武震辦［2007］4號)，本工程需進行場地地震安全性評估，在無評估報告前暫按地震小區劃參數進行設計，本工程位于ⅢA區，對應于50年超越概率63%，10%和2%的地表水平向設計地震動峰值加速度反應譜(5%阻尼比)參數值如表1所示。

表1 水平向設計地震動峰值加速度反應譜參數值

按B級高度結構抗震等級要求，本工程剪力墻抗震等級為二級。

風荷載取值按100年重現期基本風壓為0.40 kN/m2，地面粗糙度類別為D類。風荷載體形系數取1.42(按高規附錄A計算為1.42)。由于周邊規劃方案暫不明確，風荷載計算時暫不考慮相互干擾增大系數。

3 結構方案設計

結構平面圖見圖1。

3.1 結構布置

由于本工程平面寬度較小，為滿足結構水平位移限值要求及舒適度要求，需要有足夠的抗側剛度，而建筑平面中縱橫內墻基本沒有對齊，給結構布置帶來一定難度。通過大量的電算比較，我們采取了以下措施:

1)在中部電梯井筒及分隔墻處適當設置較長的豎向剪力墻，不過該處剪力墻剛度過大將導致扭轉效應明顯，需反復調整，并適當加大兩側山墻剪力墻厚度(增加50 mm)，方可使整體結構取得了較好的抗側能力及抗扭能力，經計算此平面剛度中心與質量中心均基本重合。

2)平面右端戶型由于建筑功能需要設有外挑通窗，且由于該處位于客廳不宜設梁，導致右側山墻處剪力墻間無法形成整體剛度，是結構變形的薄弱部位，因此該部位剪力墻采用增設水平翼墻、形成局部筒體的方式予以加強。

3)沿外墻設置高連梁以加強整體性控制扭轉。

經計算調整后，結構主要結構層墻厚及混凝土等級如表2所示。

圖1 結構平面圖

表2 結構層墻厚及混凝土等級

內外墻截面根據軸壓比及剛度均勻漸變的原則從下到上逐漸減小，并與混凝土強度等級變化樓層錯開。

主要框架梁截面高度500 mm。

外墻高連梁截面高度1 350 mm(上翻900 mm)。

3.2 結構計算分析

1)計算軟件分別采用中國建筑科學研究院的SATWE和Midas Building2009軟件進行三維空間結構有限元整體計算比較，經SATWE及Midas計算后的主要結果如表3所示。

2)風荷載作用分析及舒適度計算。

由于本工程結構高度較高且高寬比較大，風荷載對結構內力及位移有顯著影響，需考慮多種風荷載作用下的模型計算:

a.按100年重現期風壓作用計算，考慮連梁剛度折減系數0.8，驗算100年一遇風荷載作用下結構層間位移角，控制結構位移、層間位移角滿足規范要求;

b.按50年重現期風壓作用計算，不考慮連梁剛度折減，計算結果表明，此工況作用下絕大多數連梁未出現超筋情況;

c.按10年重現期基本作用驗算結構頂點的最大加速度，按高規規定，高度超過150 m的高層建筑結構應具有良好的使用條件，滿足舒適度的要求。由于高規未給出計算公式，此處暫按高鋼規相關公式計算:

順風向頂點最大加速度:aw=0.044 m/s2＜0.150 m/s2;

橫風向頂點最大加速度:atr=0.081 m/s2＜0.150 m/s2;

均滿足規范的要求。

表3 經SATWE及Midas計算后的主要結果

3)彈性時程分析補充計算。

本工程采用SATWE程序進行彈性時程分析，由于本工程暫無安評報告，參考CECS 160∶2004建筑工程抗震性態設計通則，選用PKPM提供的兩條適用于Ⅱ類場地的實際記錄地震波(TAF-2，ELC-3)及一條人工波(RH1TG040)。峰值加速度取35gal，地震波的持續時間均大于結構基本自振周期的5倍，時間間隔為0.02 s，滿足規范的要求。

由彈性時程分析的結果顯示，每條時程曲線計算所得結構底部剪力不小于振型分解反應譜法計算結果的65%，三條時程曲線計算所得的結構底部剪力平均值不小于振型分解反應譜法計算結果的80%，均滿足規范的要求。另外，綜合反應譜和時程分析的結果可以看到，結構上部十多層的時程響應要略大于反應譜結果，設計時這些樓層將按照時程分析的結果進行地震力放大。

4)抗震性能化設計。

新抗規中已經對建筑結構的抗震性能化設計提出了相關要求，由于本工程屬超限高層，在考慮基于結構性能的抗震設計中，針對不同水準的地震作用，采用不同的性能目標，擬采用以下計算方式實現:

a.小震下，結構滿足彈性設計要求，全部構件的抗震承載力和結構層間位移均需滿足現行規范要求，結構構件處于彈性工作狀態。b.中震下，結構的薄弱部位和重要部位構件(剪力墻底部加強區)處于彈性工作狀態，進行結構非線性分析時，允許有些選定的部位接近屈服階段，但不允許發生剪切等脆性破壞，各構件細部構造滿足中等延性要求。c.大震下，結構重要部位的構件(剪力墻底部加強區)不屈服，對結構進行非線性分析，允許有些選定部位的構件達到屈服階段，但應滿足變形限制要求(樓層的最大層間位移角小于1/200)，不發生剪切等脆性破壞，各構件的細部構造滿足高延性要求。

4 工程實例對比

武漢市區近幾年來相繼建成了多棟類似高度的剪力墻結構住宅，為了更好的優化本工程結構設計及相關審查的順利通過，我方收集了武漢市及外地類似項目的結構平面布置及控制參數以資比較，主要有以下三棟:

A棟:武昌區某超高層住宅。該項目地處武漢市武昌區徐東二路，由2棟地上53層住宅樓及出屋面4層小筒體構成，總建筑面積約77 000 m2，地面以上總高178 m，屬B類高層建筑，結構形式為鋼筋混凝土剪力墻結構。

B棟:武漢漢陽某超高層住宅。該超高層建筑于漢陽瀕臨長江，交通方便，該建筑地下2層，地上55層，建筑總高度175.55 m，建筑總面積達55 209.3 m2。結構形式為鋼筋混凝土剪力墻結構。

C棟:廣州珠江某超高層住宅。該工程塔樓均為地上44層(不包括出屋面小塔樓)，主體高138.15 m，首層層高5.35 m，往上各層均為3.05 m。地震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10g，建筑場地為Ⅱ類。主體采用現澆鋼筋混凝土剪力墻結構。

1)平面尺寸及自然條件見表4。

表4 工程平面尺寸及自然條件

2)剪力墻混凝土等級見圖2。

圖2 剪力墻混凝土等級

3)主要剪力墻厚度見圖3。

圖3 主要剪力墻厚度

4)主要計算結果見表5。

表5 主要計算結果

根據以上數據顯示，與其他項目相比，本工程結構設計上具有如下特點:

1)地震力及風荷載等水平力作用在超高層結構設計中起決定作用。與本地項目相比，C棟高層由于抗震設防烈度為7度且基本風壓較大，因此剪力墻厚度及混凝土等級都較高，從水平位移參數來看與其他三棟控制基本相當。在同抗震設防烈度情況下，本工程由于地處市中心，計算風荷載作用時地面粗糙度類別為D類，對計算較為有利，受風荷載控制作用較小;而A棟、B棟高層均以風荷載作用下水平位移控制為主。2)由于本工程高寬比較大，剪力墻的布置方式、截面厚度、混凝土等級等受結構整體抗側剛度需要影響較大。與本工程高寬比類似的B棟高層同樣布置了較多的Y向剪力墻，而且剪力墻截面厚度需要加厚，本工程底部標準層墻肢厚度為350 mm，B棟為400 mm;此時提高混凝土等級意義不大，最高混凝土等級為C55。A棟高層由于高寬比較小，剪力墻墻肢較短，剪力墻厚度受軸壓比控制影響較大，在提高混凝土等級為C60后，底部標準層墻體厚度可以做到300 mm。

5 建筑方案優化建議

在結構優化設計中，方案階段的優化影響約占70%，因此如能在方案階段就考慮結構形式的合理性和經濟性，使建筑功能與結構布置相結合，對本工程的順利實施有重要作用。根據我方的計算結果及比較，有以下幾條思路:

1)適當加大平面寬度，減小高寬比，以有利于充分利用剪力墻豎向承載力，減少剪力墻數量;2)平面中內橫隔墻需盡量對齊，以有利于發揮剪力墻的整體剛度，減小高寬比較大的不利影響;3)采用輕質內隔墻，減小結構自重;4)改善平面右端外挑通窗處建筑布局，以便于對該薄弱部位進行結構加強。

6 結語

本項目的結構方案階段優化設計是建立在大量的計算分析基礎上的，同時我們也借鑒了本地類似項目的成熟經驗，經過比較最終確定了合理的結構設計方案，得到了業主方的認可，本項目已進入施工圖設計階段。

［1］ 孟美莉，吳 兵，傅學怡.武漢水岸星城超限高層建筑結構設計［J］.廣東土木與建筑，2009(3):64-65.

［2］ 吳 兵，孟美莉，傅學怡.武漢水岸星城超高層結構抗震性能化設計［J］.廣東土木與建筑，2009(4):87-88.

［3］ 李和平，曾學敏，周 鋒.武漢某超限高層結構設計分析［J］.國外建材科技，2008，29(5):33-34.

［4］ 曾立輝，廖 耘.廣州珠江新城譽峰A2、A3棟超高層住宅結構超限設計［J］.廣東土木與建筑，2008(6):99-100.