上海某超限高層建筑抗震設計

杜玉峰

(上海世紀都城建筑設計研究院股份有限公司，上海 200041)

1 工程概況

工程為上海某高層住宅樓，地上33層，2層地下室，首層層高4 m，其它各層2.9 m，檐口高度97.1 m。工程為部分框支剪力墻結構，9層框支，框支層頂標高26.5 m。底部加強部位剪力墻抗震等級為特一級，非底部加強部位剪力墻抗震等級為二級，框支框架抗震等級為特一級。

2 抗震設計

2.1 抗震設防標準

設防烈度為7度(0.10g)，設計地震分組為第二組，場地類別為上海IV類場地。

2.2 結構不規則性

根據《建筑抗震設計抗規》第3.4節表3.4.3-1和表3.4.3-2，對結構的不規則類型判別如下：存在扭轉不規則、豎向剛度突變(首層)、豎向構件間斷。

2.3 分析軟件

SATWE-高層建筑結構空間有限元分析與計算軟件，中國建筑科學研究院編制。

MIDAS/GEN，MIDAS有限公司。

2.4 抗震分析

小震作用下各項計算指標滿足規范要求。

工程1～9層定義為雙塔結構，9層以上定義為單塔。圖1是MIDAS的三維整體計算模型，對轉換厚板和轉換拱等做了真實的模擬。

2.4.1 自振特性

表1給出了工程前三個振型的自振特性參數，表中的數據顯示了自振特性良好，振型清晰，扭轉為第三振型，T扭/T1為0.66<0.85，符合我國現行建筑抗震規范的要求。

表1 自振特性

2.4.2 地震反應

表2列出了工程的地震反應控制性指標的計算值。計算結果均符合規范要求，說明工程結構具有足夠的抗側剛度和良好的抗震性能。

表2 控制性指標匯總

*框支柱抗震等級特一級，軸壓比限值≤0.6。采用復合箍及鋼筋芯柱后軸壓比可提高0.15，軸壓比限值可為0.75。

2.4.3 轉換構件分析

分析報告規定，轉換厚板的抗震設防性能為小震不裂，中震彈性。

1)小震設防

①抗彎

小震不裂的具體標準是混凝土核心層不發生豎向裂縫。即由地震作用產生的中曲面上主拉應力標準值不大于樓板混凝土軸心抗拉強度標準值ftk。

有地震作用效應組合公式

σk,小震=(σ靜+0.5σ活+σ地震)

(1)

抗裂公式

σ1k,小震≤ftk

(2)

②抗沖切

小震不裂的具體標準是混凝土核心層不發生斜裂縫，受沖切截面處最大橫向剪應力標準值不大于混凝土抗拉強度標準值ftk。

有地震作用效應組合公式

(3)

式中，v是沿沖切面上單位長度的剪力。沿沖切面混凝土核心層最大小震剪應力組合標準值τzkmax,小震為

(4)

式中，ξ為剪應力不均勻系數，ξ=1.0～1.5。抗裂驗算時，取ξ=1.5。hc=h-2a′為混凝土核心層厚度。

抗裂公式

τzkmax,小震≤ftk

(5)

在斜裂縫未發生前，核心層處于純剪切應力狀態，式(5)相當于核心層受沖切截面處最大主拉應力標準值不應大于混凝土軸心抗拉強度標準值。

2)中震設防

①抗彎

中震彈性的具體標準是按照高規第5.6.4節表5.6.4的有地震作用分項系數進行荷載效應組合時，中震主拉應力設計值不大于混凝土樓板鋼筋的屈服應力fy。

有地震作用效應組合公式

σ中震=(1.2σ靜+0.6σ活+1.3×ξm×σ小震)

(6)

式中,ξm=2.86是中震放大系數。

強度公式

(7)

式中，γRE為承載力抗震調整系數，取γRE=0.75；Asx,Asy和Apx,Apy分別為間距sy和sx以及間距spy和spx范圍內受拉區非預應力鋼筋和預應力水平筋的面積；fy和fpy分別為非預應力鋼筋和預應力筋抗拉強度設計值；σ1,中震為有地震作用效應組合時，豎向荷載效應和中震作用效應組合的設計值。hs=2a′為鋼筋層的厚度。當設計普通鋼筋混凝土樓板，且雙層雙向拉通均勻配筋時，上述強度公式簡化為

(8)

②抗沖切

有地震作用效應組合公式

(9)

(10)

強度驗算時，取ξ=1.0。

強度公式

(11)

式(11)中

ρv=Asvu/umh0ρb=Asbu/umh0

(12)

3)轉換層有限元模型

工程采用拱式轉換。轉換構件有轉換厚板、轉換拱肩、拱圈及框支柱四部分組成。其中板厚1.0 m，拱肩厚1.0 m，采用殼單元模擬。拱圈斷面尺寸2.0 m×1.2 m，框支柱斷面尺寸2.0 m×1.2 m，采用桿單元模擬。轉換構件參與整體抗震分析，圖2給出了轉換層的局部放大模型。

4)應力分析

厚板在恒+活作用下最大撓度發生在單元15 970號附近，如圖3所示，彈性撓度約為10 mm。厚板在重力荷載代表值、X向地震、Y向地震作用下的彎矩Mx，My和Mxy的分布云圖可以看出厚板的最大彎矩發生在最大撓度鄰近區域。起控制作用的是豎向荷載。工程轉換厚板跨度較小，轉換的形式為板與拱肩共同托墻，沖切剪應力的數量級很小，對板的設計起不到控制作用。因此，以下部分略去剪應力的組合。

按板的夾心單元模型，板內彎矩和鋼筋層中的應力之間有以下的關系式

(13)

表3給出了兩個控制點應力各工況的計算值及小震組合標準值、中震組合設計值、無地震作用效應組合設計值，表中同時給出轉換板配筋加密區的配筋。

表3 轉換厚板控制應力和配筋

2.4.4 拱圈應力分析

分別對拱圈在重力荷載代表值作用下和地震作用下的軸力和彎矩進行計算。中震組合后，進行斷面設計，拱圈縱向鋼筋56根d28，全截面配筋率1.4%。中震時，處于彈性狀態。

2.4.5 拱肩應力分析

由拱肩在重力荷載代表值作用下中曲面上的應力分布云圖可以看出下邊緣混凝土處于受拉狀態，與拱圈接觸的附近，局部發生應力集中，普遍處于受壓狀態，且應力水平不高，約在3 MPa左右。

2.4.6 抗震加強措施

1)拱式轉換結構按中震彈性設計，底部加強區剪力墻按抗震等級特一級設計。

2)拱式結構中的框支柱沿柱全高采用直徑大于等于12 mm、肢距小于等于200 mm、間距小于等于100 mm的井字復合箍筋。當軸壓比大于0.7但不大于0.75時，在截面中部設附加芯柱。

3)拱式結構中的厚板采用雙層雙向d16@150配筋。剪力墻兩邊各1 000 mm范圍內，集中配筋，并增設暗梁。

4)盡量減少上部剪力墻的布置，加厚落地剪力墻，嚴格控制轉換層上下剛度比。控制轉換層上下剛度比不小于0.7，當大于等于0.6且小于0.7時，乘1.15薄弱層剪力增大系數。

5)樓板雙層雙向配筋，厚度大于等于120 mm，配筋率大于等于0.4%。

6)配筋率和配箍率按抗震等級提高一級執行的構件：小墻肢和短肢剪力墻。

3 結 語

工程結構設計符合我國現行《建筑抗震設計規范》和《高層建筑混凝土結構技術規程》及其它關聯規范的要求。工程轉換層有限元分析結果表明，結構高位轉換應該是可以接受的。拱圈、拱肩、厚板的空間轉換形式，其力學性能也許要優于梁擱梁的平面轉換形式。