某超B級高度剪力墻結構住宅結構設計

鄭智輝

(廈門新區建筑設計院有限公司 福建廈門 361012)

某超B級高度剪力墻結構住宅結構設計

鄭智輝

(廈門新區建筑設計院有限公司 福建廈門 361012)

廈門泰禾·首璽B2#樓地上59層，結構高度172.95m，結構體系為剪力墻結構，屬于超B級高度的超限高層建筑。采用YJK和MIDAS兩種軟件對結構進行小震彈性分析，并依據MIDAS大震動力彈塑性分析結果，對結構各重要部位進行加強。歸納總結針對該工程高度超限、平面不規則、樓板不連續等復雜性所采取的設計措施。

超B級高度;剪力墻結構;平面不規則;動力彈塑性分析

1 工程概況

廈門泰禾·首璽B2#樓住宅位于廈門海滄區，樓高共59層，頂部14層為復式戶型，一層層高5.35m，其余層高2.9m，房屋高度為172.95m，場地內設兩層地下室，層高均為3.9m。建筑平面尺寸為34.8m× 21.3m。主要結構平面圖及立剖面如圖 1～圖3所示。

工程設計使用年限為50年，抗震設防烈度為7度(0.15g)，設計地震分組為第二組，場地特征周期與αmax根據安評報告取值，其中小震下分別為0.5s及0.126。50年一遇的基本風壓為0.8kN/m2，地面粗糙度類別為B類。

該工程存在高度超限(超B級)、平面不規則、豎向構件收進等不規則項，結構高寬比大，但由于是純住宅項目，隔墻較多，受限于建筑平面布置，因此采用鋼筋混凝土剪力墻結構。建筑高度超B級是該項目的主要設計要點。

超B級高度的剪力墻結構由于其高度較高，應采取比規范規定更嚴格的計算和構造措施。本文以廈門泰禾·首璽B2#樓為例，介紹了超B級高度剪力墻結構的設計。

圖1 標準層平面圖

主要結構構件布置:剪力墻混凝土強度為C60～C30，主要抗側力剪力墻厚為300mm～500mm，頂部14層為復式戶型，標準層局部柱墻到復式樓層后取消。考慮到純剪結構高度超高，在外圈剪力墻端部設置較大端柱(1 000mm×1 800mm等)以控制結構變形，并根據計算結果加設型鋼(十字型，壁厚16mm～30mm)。外圈梁主要為550mm高，局部外圈梁(南北側X向)為1 000mm高;主要的耗能連梁及框架梁高度為500mm，如表1所示。

圖2 復式上層平面圖

圖3 立面及剖面圖

表1 主要結構構件布置 mm

2 結構設計關鍵問題

(1)高度超限

房屋高度為172.95m，超過剪力墻結構B級高度150m限值，結構高寬比較大，外圈豎向構件偏心受拉情況明顯。

(2)平面不規則

結構平面凸出尺寸38%，偏心率最大為0.34。

(3)局部樓板不連續

結構頂部14層為雙層復式戶型，其中復式上層樓板開洞率約為41%，不符合剛性樓板假定。

(4)豎向構件收進

復式與平層戶型變化處(46F)結構外圍豎向構件收進約7.5%，且部分剪力墻取消，剛度形成突變。

3 結構計算分析

彈性計算采用YJK和MIDAS/Building作為主要計算分析軟件，并進行多遇地震彈性時程分析的補充計算及中震下的構件性能設計;另外，采用Building進行動力彈塑性分析，計算結構在罕遇地震下的變形反應。

3.1 性能設計

按照《高層建筑混凝土結構技術規程》［1］的要求，綜合考慮場地條件、結構的特殊性、建造費用等各項因素，經過超限專項審查，提出結構性能設計要求如表2所示。

3.2 結構分析的主要設計結果

3.2.1 小震CQC彈性分析

小震CQC彈性分析主要計算結果如表3所示。由表3可知，兩種軟件計算結果比較吻合，周期、位移、剪重比等各項指標均滿足規范要求。

表2 結構的性能設計

表3 結構分析主要指標對比

層間位移角各樓層總體變化均勻。其中，X向層間位移角在豎向構件收進樓層處變化較大，在該樓層處Y向略有變化如圖4所示。

圖4 樓層剛度比值

各樓層剛度比及抗剪承載力比值總體變化均勻，均滿足規范要求。主要在底部層高變化較大的樓層及豎向構件收進樓層有所突變，設計中對以上部位進行加強，如圖5所示。

圖5 樓層抗剪承載力比值

3.2.2 小震彈性時程分析

設計采用YJK程序進行多遇地震彈性時程分析，根據工程特點選用7條地震波，并與規范反應譜分別進行了對比。各條地震波譜與規范譜的對比曲線，如圖6所示。

圖6 規范譜與地震波反應譜對比圖

時程分析樓層剪力平均值X向在頂部6層略大于CQC法剪力，Y向在頂部4層略大于CQC法剪力，放大系數約為1.03;層間位移角平均值均小于CQC法層間位移角。

3.2.3 風振舒適度驗算

為確保高層建筑內使用者舒適，房屋高度不小于150m的建筑結構需滿足風振舒適度要求。順風向及橫風向風振加速度按《建筑結構荷載規范》附錄J計算，結果均滿足規范要求。計算結果表明，對于本工程這類超高層建筑而言，橫風向振動問題較為突出，與順風向一樣應該在結構設計中予以重視。

3.2.4 中震下構件性能設計

在評估結構及構件對應于中震的性能目標時，仍然采用規范提供的振型分解反應譜法，作用效應及結構抗力均采用標準值。

底部加強部位豎向構件按“中震抗剪彈性、抗彎不屈服”復核，后續設計中通過提高剪力墻豎向分布筋配筋率、增設型鋼等方式以滿足該性能目標要求。

該工程剪力墻各角部在中震下受拉情況較為嚴重，因此在平面周圈剪力墻端部均設置大端柱，增大混凝土截面;并在柱內布置型鋼，控制含鋼率≥4.0%，布置型鋼的端柱主要位于結構下部樓層及豎向構件收進的樓層位置。

3.2.5 大震動力彈塑性分析

在罕遇地震作用下，結構表現出非線性行為并引起結構內力重新分布，該工程采用Building軟件進行罕遇地震作用下彈塑性時程分析。彈塑性分析過程中考慮幾何非線性和材料非線性［2］。

該項目采用兩組天然波和一組人工波，經峰值調整后作為該項目大震分析的時程波。結構在地震作用主方向Y向的最大層間位移角分別為1/150、1/167、1/176，均小于規范規定的1/120限值，如圖7所示。

圖7 最大層間位移角

從構件塑性變形與塑性變形限值的大小關系來對結構進行評估，針對剪力墻破壞順序及程度，考慮從概念上對結構薄弱部位進行加強。

由7軸處計算結果可見，剪力墻在 6.6s時 7層～15層連梁開始出現損傷，此時大部分剪力墻尚未屈服，僅在豎向構件收進的下層(42層～45層)出現塑性發展;13.8s時，B軸～C軸間短肢墻及連梁塑性發展嚴重，J軸位置9層～20層開始塑性損傷，豎向構件收進下層剪力墻塑性持續發展;地震波加載結束即18.8s時，B軸～C軸間短肢墻及連梁在幾乎全高的范圍以及G軸～J軸位置在8層～37層塑性發展情況嚴重。

綜合分析各部位塑性發展過程可以發現:

(1)剪力墻受剪損傷首先發生在連梁及短肢墻位置，隨后逐步發展;Y向墻肢端部在1層～6層塑性發展情況較上面幾層良好，究其因，是該位置端柱內設置型鋼，有效地控制了剪力墻的變形。

(2)豎向構件收進部位，該位置塑性發展情況嚴重，在后續結構設計中適當加強。

(3)X向底部墻體較Y向墻體破壞嚴重，主要原因有:結構X向由地震作用控制，Y向由風荷載控制; E軸處X向連續墻長7.5m，剛度較大;X向墻體尚未考慮性能化設計，Y向墻體已考慮型鋼的有利作用。

針對剪力墻損壞較明顯的部位，采取對應的加強措施后重新進行彈塑性時程分析，主要措施有:提高底部加強區豎向構件抗震等級和配筋率，并按中震性能設計結果(正截面不屈服，斜截面彈性)進行配筋;提高過渡層剪力墻及下部樓層短肢墻配筋率;提高豎向構件收進上下樓層抗震等級及配筋率;E軸處7.5m長X向剪力墻中間開洞，適當削弱剛度。采取以上措施加強后，底部加強部位、短肢墻及豎向構件收進部位等的損傷情況均得到有效改善，如圖8所示。

圖8 (7)軸剪力墻采取加強措施前(a圖)后(b圖)結果對比

該工程通過控制剪力墻截面在大震下受剪滿足截面控制條件來防止構件發生脆性破壞，即按《高層建筑混凝土結構技術規程》式3.11.3－4進行驗算，表明采用的結構體系能滿足大震下結構不倒塌的要求。

4 結構設計措施

該工程存在高度超限(超B級)、平面不規則、樓板不連續、豎向構件收進等不規則情況，根據前述計算分析，針對該工程的薄弱環節采取適當措施。

4.1 高度超限

(1)底部加強區豎向構件抗震等級按特一級，主要剪力墻端柱設置型鋼，控制含鋼率≥4.0%，按中震下“正截面不屈服，斜截面彈性”復核，并根據大震彈塑性分析結果加強;

(2)底部加強部位以上軸壓比大于0.25的剪力墻墻肢(1層～19層)設置約束邊緣構件;

(3)中震工況下出現小偏心受拉的豎向構件按特一級構造，拉應力大于混凝土強度標準值時應設置型鋼(主要是結構周圈剪力墻);

(4)提高短肢剪力墻配筋率。

豎向構件加強示意圖如圖9所示。

圖9 豎向構件加強示意圖

4.2 平面不規則

加強建筑外圈構件剛度，如周圈剪力墻設置大端柱(1 000mm×1 000mm～1 000mm×1 800mm)，南北兩側梁高控制不小于1 000mm，以此控制扭轉位移比≤1.20。

4.3 局部樓板不連續

針對樓板不連續的樓層，結構計算時考慮樓板面內變形的影響。標準層樓板有效寬度較小處，周邊盡量加設剪力墻滿足水平力的傳遞，加強樓板厚度及配筋率。復式樓層穿層墻按兩層層高的計算模型復核強度及穩定性。

復式樓層樓板厚度≥130mm，配筋率≥0.25%。多遇地震時樓板應力［3］不超過混凝土強度標準值，設防地震時樓板應力不超過鋼筋強度設計值，即小震不裂，中震不壞。

4.4 豎向構件收進

各棟主樓從標準層到復式樓層Y向存在豎向收進，收進后水平尺寸為下部樓層相應水平尺寸的92%，收進部位上下各2層豎向構件抗震構造措施的抗震等級提高為特一級，外圈端柱增設型鋼，并加強豎向體型突變部位及其上下層的樓板，樓板厚度≥130mm，配筋率≥0.25%。

5 結論

通過對YJK和MIDAS兩個不同力學模型軟件的分析結果進行比對，發現結構各整體指標相差不大，說明程序的計算結果是可靠的。

(1)小震和風荷載彈性分析——主要包括自振特性、基底剪力及樓層剪力、總重量及剪重比、樓層位移及位移角(比)、樓層剛度和受剪承載力，計算結果均符合規范要求。

(2)中震分析——主要包括底層加強部位結構的局部指標(中震彈性/不屈服)均滿足性能目標要求。

(3)采用MIDAS Building軟件分析大震動力彈塑性結構整體性能和構件變形性能。整體結構層間位移角滿足規范最低要求(1/120)且有余量;底部加強部位主要抗側力墻肢端柱內設置型鋼，構成了具有很好的強度和剛度，以及延性性能的組合構件。從計算結果上看，對剪力墻在大震作用下的抗震能力起到了很好的提高作用;短肢墻及豎向構件收進的下層位置，塑性發展情況嚴重，在結構設計中對其適當加強。

該工程屬于超限高層建筑，由于在結構設計時采取了合理的結構布置，對結構的薄弱部位進行了加強以及性能化設計，并采用型鋼混凝土構件，使得結構具有良好的抗震性能。

［1］ JGJ3－2010高層建筑混凝土結構技術規程［S］．北京:中國建筑工業出版社，2010．

［2］ 傅學怡．大型復雜建筑結構創新與實踐［M］．北京:中國建筑工業出版社，2015．

［3］ 扶長生，劉春明，李永雙，等．高層建筑薄弱連接混凝土樓板應力分析及抗震設計［J］．建筑結構，2008(3): 106－110．

Structure design of a super class B high－rise residential with shear wall structure

ZHENG Zhihui
(Xiamen New Urban Architectural Design Institute Co.，Ltd，Xiamen 361012)

Xiamen thaihot Shouxi B2#building has 59 floors on the ground，with structure height of 172.95m.The structure system is shear wall structure，which belongs to the super class B out－of－codes high－rise building.The elastic analysis of frequent earthquake was completed by using YJK and MIDAS，and based on the results of dynamic elasto－plastic analysis of rare earthquakes，the important parts of the structure are strengthened.The design measures were summarized in the view of the complex factors，such as out－of－codes about the height，irregularity of plane and discontinuity of floor slab.

Super class B high－rise;Shear wall structure;Irregularity of plane;Dynamic elasto－plastic analysis

TU3

A

1004－6135(2017)02－0037－05

鄭智輝(1985．8－ )，男，工程師。

E-mail:zhihuizheng365@163．com

2016－11－05