大高寬比剪力墻結構超高層建筑結構分析

裴學軍（昆明恒基建設工程施工圖審查中心 云南 昆明 650000）

葉川（重慶大學建筑規劃設計總院有限公司 重慶 400045）

關鍵字：大高寬比；剪力墻結構；超高層；結構分析；回轉半徑；墻肢名義拉應力

0 引言

《高層建筑混凝土結構技術規程》（以下簡稱《高規》）第3.3.2 條要求鋼筋混凝土高層建筑結構的高寬比不宜超過表3.3.2 的規定[1]，在條文說明中對適用情況又做了如下規定：在結構承載力、穩定、抗傾覆、變形和舒適度等基本滿足規范要求的情況下，對滿足高寬比限值要求采用的是“宜”，而不是“應”。此外，住房城鄉建設部建質[2015]67 號《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》中要求：高寬比較大時，應注意復核地震下地基基礎的承載力和穩定。本文應此要求對某大高寬比剪力墻結構超高層建筑進行了抗震性能分析，對此類結構提出一些控制性要求。

1 工程概況

該工程地下2 層，地上39 層，平面近似“L”字形，總長度40.80m，最窄處寬度為10.10m，最寬處寬度為24.85m，大屋面標高116.7m，為超高層住宅樓?？拐鹪O防烈度為8 度（0.2g）第三組，抗震設防類別為丙類，Ⅲ類建筑場地類別，設計特征周期為0.65s，剪力墻抗震等級為一級。墻柱混 凝 土 等 級 C60 ～C40， 鋼 筋 采 用 HRB400、HRB500，結構安全等級為二級，設計使用年限為50 年。標準層結構平面詳見圖1。

圖1 標準層結構平面布置圖

2 高寬比

該工程平面近似“L”字形，結構的寬度如何取值？如按所考慮方向的最小寬度（10.1m）取值，由于建筑L 型內平面布置呈鋸齒狀，沿縱向的長寬比不唯一，不能完全體現與剛度關聯的原則。根據《高規》JGJ 3-2010 第3.3.2 條條文說明，“對于不宜采用最小寬度計算高寬比的情況，設計人員應根據實際情況確定合理的計算方法”；此外，王亞勇先生在《建筑抗震設計規范疑問解答》中也講了對最小寬度的理解。“結構平面寬度可按該平面各水平方向的最小投影寬度計算，如L 形平面的水平方向最小投影寬度指相應直角三角形斜邊的高度”；根據廣東省標準DBJ 15-92-2013《高層建筑混凝土結構技術規程》介紹的計算高寬比的方法：當建筑平面為非矩形時，結構的寬度可取平面的等效寬度（B），即B=3.5r，其中r 為建筑平面最小回轉半徑。引入回轉半徑，體現了等效寬度與結構側向剛度的關聯性，是計算復雜平面結構高寬比較合理的計算方法。本工程按3.5 回轉半徑計算等效高寬比為6.20.

3 超限情況

根據《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》（建質[2015]67 號）規定，該工程屬于高度超限，需進行抗震專項審查，超限情況如下：

（1）建筑總高度116.7m，超過A 級高度高層建筑最大高度100m；

（2）根據YJK 計算結果，考慮偶然偏心規定水平力作用下Y 方向最大位移與層平均位移的比值為1.27，大于1.20，根據《高規》3.4.5 條，不規則項為平面扭轉不規則；

（3）高寬比6.20，超過《高規》表3.3.2 中的限值要求。

4 結構計算分析

根據建筑抗震設計的三水準原則確定抗震性能目標，小震作用下進行結構整體彈性計算、彈性時程分析補充計算，中震進行結構不屈服和彈性計算。上部結構嵌固端為地下室頂板，嵌固剛度比滿足規范要求。

4.1 小震作用分析

采用YJK（1.9.3 版）軟件進行計算分析，用PMSAP程序進行對比分析。結構形式為剪力墻結構，考慮偶然偏心地震作用、扭轉偶聯，結構材料強度采用設計值，荷載、地震作用及風荷載計入分項系數，結構計算結果見表1。

表1 結構計算結果

計算結果表明，主要計算指標均滿足規范、規程要求，滿足小震下的性能目標，結構體系選擇恰當。

4.2 中震作用分析

采用中震不屈服計算。程序計算中活荷載組合系數取0.50，周期折減計算取1.0，連梁剛度折減系數取0.4，不考慮內力調整系數和抗震承載力調整系數、荷載和地震作用分項系數，材料強度采用標準值。

4.2.1 結構整體穩定和抗傾覆驗算

計算資料顯示X、Y 向剛重比分別為8.68、5.96，大于1.4，能夠通過《高規》5.4.4 條的整體穩定驗算，大于2.7，滿足《高規》5.4.1 條，可不考慮重力二階效應。

抗傾覆驗算：X、Y 抗傾覆力矩分別為1.417x107、6.894x106kNm，傾覆力矩分別為4.948 x106、4.495 x106kNm，基底零應力區面積比分別為2.3%、47.8%，Y 向不滿足《高規》12.1.7 條的規定。設計將地下室輸入計算模型并將基礎平面范圍自主體向外擴2～3 跨，適當增加塔樓周邊的構造剪力墻的數量，基底未出現零應力區，滿足設計要求。

4.2.2 墻肢受拉情況

鋼筋混凝土剪力墻出現偏小受拉時，如果混凝土出現開裂會降低剪力墻抗剪承載力，使抗側剛度退化，對結構不利。讀取YJK 軟件中震作用下墻肢各工況標注內力，統計1.0 恒+0.5 活+1.0E中震作用下墻肢受拉情況分別為：

（1）X 向地震作用下，剪力墻底部加強區Y、W 等軸線上的橫墻墻肢受拉，其余層均受壓；

（2） Y 向地震作用下，剪力墻底部加強區1、4、33 等軸線上的縱墻墻肢受拉，地上4～7 層部分縱墻墻肢受拉，其余層均受壓；

（3）地震作用下墻肢拉力自下至上逐層減小。

根據計算統計，墻肢在地震作用下底部墻肢最大拉力為10 538kN，墻肢全截面由軸向力產生的平均名義拉應力為5.26N/mm2，超過C60 混凝土抗拉強度標準值，根據云南省建筑結構專業委員會的意見，中震下的墻肢名義拉應力處于1～2倍ftk，應由型鋼承擔全部拉應力；墻肢名義拉應力大于2 倍并小于2.5 倍ftk 時，保證含鋼率不小于4%；墻肢名義拉應力大于2.5 倍并小于3 倍ftk 時，保證含鋼率不小于5%。設置型鋼可按彈性模量換算考慮型鋼和鋼板的作用。

式中：N地為地震作用拉力；N恒為恒載產生拉力；N活為活載拉力；ftk為混凝土軸心抗拉強度標準值；fy 為型鋼抗拉強度設計值；A混凝土為剪力墻墻肢截面面積；E型鋼為型鋼的彈性模量；E混凝土為混凝土的彈性模量。

采取加強措施后，中震作用下剪力墻抗拉和抗裂性能增強，開裂有限，可滿足中震輕微損壞的抗震性能目標。對個別超筋連梁采取增設H 型鋼暗梁的措施以提高其抗剪承載力；對跨高比不小于2.5 的連梁，則采用設置交叉斜筋，適當提高其延性，保證中震抗剪不屈服性能。

5 關鍵技術問題和設計措施

該工程高寬比超出了高規的規定，在這種體型復雜的高層建筑中，除高寬比的計算根據實際情況采取符合實際的計算方法，優化剪力墻的布置外，還采取以下措施：

（1）控制結構規則性；

（2） 嚴格控制剪力墻軸壓比，剪力墻軸壓比均不超過0.5；

（3）嚴格按照《高規》7.2.14-3 及7.2.15～16 條有關B 級高度過渡層及邊緣構件的配箍和配筋率的有關要求進行加強。對構造邊緣構件縱向配筋率，過渡層提高為1.0%，配箍特征值按約束邊緣構件的80%控制，其余位置按“高規”構造配筋；

（4） 底部加強區豎向構件為結構重要構件，為了保證結構有更好的延性，底部加強區剪力墻在中震下出現偏拉時，按整墻全截面驗算后名義拉應力大于1.0ftk 時內設置型鋼，型鋼下延至夾層，且含鋼率按4%控制；

（5） 抗傾覆穩定問題采取計算時考慮主樓地下室的相關范圍，范圍為主樓外兩跨，樁基滿足承載力設計要求，不出現上拔力。

6 結語

該項目為超高層住宅樓，抗震設防烈度為8度（0.2g）第三組，且為高寬比超限的B 級高度超高層建筑。但經過精心的結構設計，如：一些合理的結構布置、準確和完整的參數選取和結構計算及驗算、多程序的計算比對分析、采取了一系列必要的抗震構造加強措施，特別是對底部加強區等結構重點部位進行加強處理，不僅滿足了建筑的使用要求，也使結構安全得到了保證。

綜上所述，類似“超限”工程設計應注意以下幾點：

（1） 對大高寬比剪力墻超高層建筑而言，除了需要滿足小震作用下的抗傾覆穩定要求外，還需要考慮中震、大震作用下的抗傾覆穩定要求，需進行相關的驗算。避免在小震、中震作用下基底出現零應力區；

（2） 控制墻肢在地震作用下的拉應力，根據墻肢名義拉應力的大小采取不同的措施，控制墻肢受拉區最大拉應力，以滿足中震輕微損壞的性能目標；

（3） 對于墻肢受拉效應明顯的外縱向墻肢，建議選用型鋼-混凝土組合構件；

（4） 值得注意的是：雖然大高寬比剪力墻超高層建筑通過采取抗震性能設計和相應加強措施后，可滿足結構安全度要求，但宜考慮工程造價的合理性。