某超限高層住宅建筑結構設計

李哲剛

(中機中聯工程有限公司,重慶400039)

1 工程概況

長嘉匯項目一期工程位于重慶市南岸區南濱路彈子石，場地南西面為長江，西面為重慶大劇院。工程場地類別為II類，場地特征周期0.35 s。一期工程中1、2、3號樓是住宅，3棟樓標準層平面相同，樓層數略微不同，高度在167～169 m之間，達到《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2010)以下簡稱《高規》中B級高度最高限值。本文以3號樓為例，介紹本超限項目的結構設計。

3號樓結構高度為168.9 m，53層。建筑平面長33.2 m，寬30.4 m。建筑的標準層結構平面圖見圖1，建筑剖面圖見圖2.

圖1 標準層結構

圖2 建筑剖面

本工程抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度0.05g，設計地震分組為第一組，抗震設防類別為標準設防類。結構體系采用鋼筋混凝土剪力墻結構，嵌固點取基礎頂面，抗震等級為二級。基礎采用人工挖孔灌注樁基礎，以中風化砂巖為地基持力層。

2 結構超限判定

本工程為結構總高度168.9 m的剪力墻結構，根據《重慶市超限高層建筑工程界定規定》(2010版)中第四條關于剪力墻結構房屋高度140 m限值的規定，本工程房屋高度大于該限值。

標準層平面在角部重疊處開設局部凹槽，使得平面輕微不規則，但不超限。

結構豎向布置未收進，未轉換，不超限。

樓層豎向構件的最大水平位移和層間位移之比為1.37，大于1.2，小于1.4；結構扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比為0.71小于0.85，均滿足規范要求，不超限。

結論：本工程為高度超限，平面輕微不規則，豎向規則的超限高層結構。

3 結構抗震設防性能目標

本項目為住宅，屬丙類設防，參照抗規的三水準設計原則確定結構抗震設防性能目標，見表1。

表1 結構抗震設防的性能目標

為了達到上述設防性能目標，采用抗震規范的設計思路，即在小震作用下，對結構進行彈性分析并以此為依據進行承載力設計；在大震作用下，對結構進行彈塑性分析，驗算結構是否具有足夠的彈塑性變形能力和內力重分布能力，確保結構不會倒塌。配筋設計時按規范要求進行加強，使得結構在中震下達到可修復使用的設防目標。

4 針對結構超限情況所采取的主要措施

本工程為高度超高導致結構超限，設計時采取以下措施：

(1)本工程屬B級高度高層建筑，需按照《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)和《高規》的相關要求，進行各種計算分析，嚴格控制各項結構計算指標；同時按照規范采取相應的抗震構造措施。

(2)在豎向布置方面，底部4層層高分別為5.5 m、5 m、5.7 m、 5.7 m，其余樓層層高均為3.0 m；由于層高的變化導致結構側向剛度產生較大變化。針對上述情況，將底部4層的剪力墻適當加長、加寬，同時調整部分連梁的梁高，以達到控制樓層側向剛度比的目的。

(3)建筑專業在平面角部重疊處開設局部凹槽，使得結構受到削弱。針對這點，特地在這三個凹槽處設置水平斜撐，通過水平斜撐傳遞水平力，使其能達到板的作用(圖3)。

圖3 平面凹槽處增設水平斜撐

(4)本工程在平面布置上有角部重疊的部位，對重疊部位進行加強，做120 mm厚的樓板，樓板雙層雙向配筋。結構帶轉角窗部位樓板加厚為120 mm，采用雙層雙向配筋，確保樓板能夠有效地傳遞水平力。

(5) 在計算水平地震力時，除按照0°計算地震力外，另外按照最不利地震作用方向(-33°)輸入地震作用，并采用雙向地震作用的算法來計入結構平面不規則的影響；同時針對角部重疊部位可能會產生較明顯的平面外變形的情況，計算時對角部重疊部位樓板按彈性板來考慮，以計入樓板的平面外變形影響，以反映結構的真實情況。

5 結構計算及主要結果分析

在多遇地震作用下，分別采用SATWE和ETABS軟件對結構承載力和變形進行計算，并作彈性時程分析補充計算，以驗算結構在多遇地震作用下是否滿足既定的性能目標；罕遇地震作用下，采用Push-over方法計算，驗算結構是否具有足夠的塑性變形能力和內力重分布能力，確保其不會出現被破壞到臨界倒塌的極限狀態情況，從而保證結構整體抗震性可以達到大震不倒的抗震性能目標。

彈性計算時，結構阻尼比取0.05，周期折減系數取0.9。

5.1 振型分解反應譜法計算結果分析

5.1.1 主要振型周期

主要振型周期見表2。

表2 主要振型周期計算結果

從表2可以看到，兩種計算軟件的主要計算結果相差不大。

5.1.2 地震作用下的層間位移角

地震作用下x、y向層間位移角見圖4、圖5。

圖4 X向地震作用下結構X向最大層間位移角

圖5 Y向地震作用Y向最大層間位移角

5.1.3 地震作用下的樓層剪力

地震作用下x、y向各樓層剪力見圖6、圖7。

圖6 X向地震作用下結構的樓層剪力

圖7 Y向地震作用下結構的樓層剪力

5.1.4 風載作用下的層間位移角

風載作用下x、y向的層間位移角見圖8、圖9。

圖8 X向風載作用間位移角

圖9 Y向風載作用下結構層間位移角

5.1.5 風載作用下的樓層剪力

風載作用下x、y向各樓層剪力見圖10、圖11。

兩種計算軟件在主要指標上，數據相近、規律一致，都滿足規范要求。

圖10 X向風載作用下層間剪力

圖11 Y向風載作用下層間剪力

5.2 彈性動力時程分析計算結果

5.2.1 地震波的選用

設計時，采用了本項目場地安評報告提供的3條人工地震波、2條天然地震波以及SATWE軟件自帶的4條天然地震波進行試算比較。地震波列表見表3。

以上各條波的持續時間大于結構基本自振周期的5倍和15 s，地震波的時間間距取0.02 s。取主次分量峰值加速度分別為18 cm/s2、15 cm/s2，進行計算。

先根據規范要求，對波的統計規律進行計算，結果見圖4。

表3 地震波名稱及來源

圖4 地震波對比

經過比較后，取用一條人工波(USER2)和兩條天然波(USER4、USER5)作為時程分析的地震波曲線。最終計算結果見表4。

將彈性時程分析法計算結果與振型分解反應譜法計算結果分析比較，時程分析法計算所得的層間位移曲線與振型分解法基本一致；彈性時程分析計算得到的結構樓層總剪力總體上略小于或接近于振型分解法計算結果；彈性時程分析的X、Y方向最大層間位移角均小于或稍大于振型分解法。因此，本工程可直接采用振型分解反應譜法計算結果作為設計依據。

表4 彈性動力時程分析主要計算結果

5.3 靜力彈塑性推覆(Push-over)計算分析

本工程靜力推覆計算分析采用的軟件為EPDA軟件。根據計算結果，結構在罕遇地震作用下具有較強的彈塑性變形能力，大震下結構最大層間位移角為1/380，小于1/120的規范限值，符合《高規》第3.7.5條的規定(圖5)。

圖5 結構抗倒塌驗算

達到性能點時，結構層間位移角計算結果如圖6。

圖6 性能點處結構各層的層間位移角

從圖6中可以看到，達到性能點時，結構的整體變形曲線還很光滑，結構的豎向剛度并無突變，說明豎向構件在這時仍然保持了足夠的變形能力。

結構的出鉸情況計算見圖7。

圖7 性能點處結構出鉸情況

結構變形過程中，結構底部剪力墻先出裂縫，然后向上延伸。達到性能點時，底部加強區及其上幾層的剪力墻出現受拉裂縫，中部、上部連梁出現梁端塑性鉸。結構整體出鉸情況良好，這從結構的變形曲線也能得到驗證。

在大震下，結構達到性能點時，角部的部分墻肢在地震工況下出現了拉力。這些拉力都不大，在400～1 300 kN之間，和結構在恒載下的自重比起來要小很多，因此結構基礎在大震下不會出現被拔出的可能。

以上計算結果表明本工程結構具有足夠的變形能力和內力重分布能力，不會出現被破壞到臨界倒塌的極限狀態情況，結構整體抗震性可以達到大震不倒的抗震性能目標。

6 樓板應力分析

在設防地震作用下，以樓層變形最大的結構27層為例進行計算。樓板應力結果見圖8～10圖。

樓板X向最大拉應力為280 kPa，最大壓應力為200 kPa；Y向最大拉應力為220 kPa，最大壓應力為990 kPa；最大剪應力為960 kPa。標準層樓板板厚100～120 mm，混凝土等級為C30，采用分離式配筋，從計算結果上看，能夠滿足板的受力要求。

圖8 樓板X向應力圖

圖9 樓板Y向應力圖

圖10 樓板剪應力圖

7 結論

綜上所述，本工程為高度超限的高層建筑。通過采取有針對性的加強措施，使得整體結構具有較好的抗震性能，能夠滿足“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三水準抗震設防目標。

[1] 徐建.建筑結構設計常見問題及疑難問題解析[M].北京:中國建筑工業出版社,2007

[2] GB 50011-2010建筑抗震設計規范[S]

[3] JGJ 3-2010高層建筑混凝土結構技術規程[S]

[4] 重慶市城鄉建設委員會.重慶市超限高程建筑工程界定規定(2010年版)[S]