某超高層住宅結構關鍵問題分析

劉金龍 宋九祥 沈 偉

(南京長江都市建筑設計股份有限公司,江蘇 南京 210002)

1 工程概況

本工程為超高層住宅，地面以上45層(不包括屋面局部凸出小塔樓)，結構高度141.95 m，其中16層、31層為避難層，其余層均為住宅，住宅部分由31層避難層將上下分為兩個標準層，分為低中區(30層及以下)標準層和高區(32層及以上)標準層，主要區別是高區標準層東單元由低區的兩戶合并成一戶，見圖1，圖2。

文獻[1]介紹了本工程的詳細設計參數、結構布置、超限情況、性能目標、設計措施及設計結果等，計算結果表明各項指標滿足現行規范和規程的要求，方案安全可行，本文不再贅述。本文重點介紹本工程在設計過程中遇到的關鍵問題及解決措施。

2 局部轉換設計

16層和31層為避難層，由于建筑功能需要，在樓梯核心筒角部開洞，形成局部托墻轉換，見圖3～圖5。由于開洞位置在建筑角部，角部轉換構件的安全度控制著整體結構的安全性。因此，仍然將轉換構件的性能目標設為中震正截面承載力彈性、斜截面承載力彈性并滿足大震作用下截面限制條件。由于建筑功能的需要，此處著重需要解決轉換梁截面的問題。下文以16層B1轉換位置為例介紹避難層局部轉換設計思路及過程。

2.1 轉換梁設計

此處轉換梁跨度較小，正截面承載力較易滿足，設計過程中發現轉換梁抗剪超限，設計過程中嘗試增減轉換梁截面來解決這一問題，表1為B1位置轉換梁截面設計過程。

表1 B1位置轉換梁剪力變化過程

由表1可見，剪力隨著梁截面的加大而增加，剪力超限程度隨著梁截面增加而緩慢減小。直至梁高850 mm方可滿足規范要求。由于建筑凈高要求此處梁高最高只能為650 mm，因此850 mm的梁高顯然不能滿足建筑功能要求，為此加大層高顯然不是最優的解決方法。

加大梁截面后依然不能有效解決轉換梁抗剪超限的主要原因是加大截面導致梁剛度變大，從而引起剪力增大，抗剪依然超限，因此修改梁截面往往不能解決此類問題。進一步從模型角度分析后，傳統的模型將轉換梁柱簡化為桿系單元，轉換梁的計算跨度為轉換柱節點距離，明顯大于其實際凈跨，且上部托墻的荷載全部先傳到轉換梁上，然后由轉換梁傳至轉換柱，實際轉換柱截面較大，轉換梁凈跨比桿系模型的計算跨度小，上部托墻有相當一部分荷載直接傳到轉換柱。實體構件的計算模型更貼近真實情況，因此，對轉換構件及其上部托墻采用實體單元進行計算。圖6為轉換位置采用實體單元的計算模型示意圖。

表2給出了B1位置轉換量分別采用傳統殼單元和實體單元計算的梁剪力設計值。

表2 B1位置轉換梁剪力對比 kN

由表2可以看出，相同截面下，采用實體單元時轉換梁的剪力僅為桿系單元時的70%左右。因此，本工程采用實體單元對轉換梁進行內力計算并進行后續的配筋設計。

2.2 轉換柱設計

轉換柱承受的較大集中力必將會導致上下層墻體連接處出現一定程度的應力集中。設計中考慮將轉換柱向上下相鄰層延伸過渡，圖7a)～圖7c)分別給出了轉換柱不延伸、向上下相鄰層延伸1層和2層的應力分析結果。

由圖 7可以看出，轉換柱不延伸時，洞口上下最大應力約17 MPa；轉換柱向上下延伸一層時，洞口上下最大應力約10 MPa，延伸后的柱子和上下墻體交界處的應力約8 MPa；轉換上下延伸2層時，洞口上下最大應力約9 MPa，延伸后的柱子和上下墻體交界處的應力約9 MPa；同時從圖7中可以看出角部的轉換柱延伸后的應力也有明顯下降。通過以上分析可以得出，轉換柱向上下層延伸過渡時，應力明顯消散；延伸一層和延伸兩層，應力分析結果相近。因此，本工程設計時采用轉換柱上下延伸一層的構造措施來減緩轉換柱帶來的應力集中現象。

3 平面凹凸不規則設計

由于建筑戶型組合和造型的需要，結構布置在中間處有凹進。如圖8所示，平面典型寬度為17.41 m，凹進處的平面寬度僅為7.8 m，平面凹進55.2%>30%，屬于凹凸不規則[2，3]，凹凸不規則處在地震作用下可能出現應力集中，出現較為嚴重的損壞[4,5]。

設計通過樓板應力分析來考察凹進處樓板的薄弱程度。將整層樓板設為彈性板，并對樓板進行中震作用下的應力分析。

圖9,圖10為標準層樓板在中震作用下的主拉應力分析結果，可以看出此處凹進相關區域樓板內部主拉應力均小于混凝土的抗拉強度標準值(C30，ftk=2.01 MPa)；洞口邊或角部存在局部應力集中，混凝土開裂后應力會逐步消散。凹進處未出現明顯薄弱部位。現僅從構造上采取加強措施，對凹進相關區域樓板配筋雙層雙向拉通，并控制單向單層配筋率不小于0.25%。

4 局部大跨異形板設計

由于建筑32層以上東單元兩戶合一，為了滿足建筑使用功能，此戶型結構布置出現局部大跨異形板，該板塊的位置及尺寸見圖11。

大跨異形板傳力機理較為復雜，地震作用下可能出現應力集中和較為嚴重的損壞，且無法使用傳統樓板的求解方法[6]，為了解決上述問題，對該異形大板加厚至180 mm，并將該板定義為彈性板，對樓板進行了中震作用下的應力分析和撓度裂縫計算。

4.1 大跨異形板應力分析

圖12，圖13給出了該樓層板在中震作用下的主拉應力分析結果，由圖可以看出，大跨異形板處及其相鄰板塊的拉應力均小于混凝土的抗拉強度標準值2.01 MPa。

4.2 大跨異形板的撓度裂縫計算

圖14為高區標準層撓度圖，由圖14可以看出大跨異形板的跨中撓度僅為7.2 mm，遠小于GB 50010—2010規定的限值(11 000/300=37 mm)。同時，由YJK軟件計算的該板跨中裂縫最大值為0.178 mm，也滿足規范要求的限值0.3 mm。

5 局部墻垛對主體剛度的影響分析

如樓電梯間兩側設有風井，結構布置有凸出主體結構邊界的小墻垛，存在虛剛的可能性。

為了研究局部凸出墻垛對整體結構的影響，考察兩個計算模型：

模型A——按實際情況帶墻垛建模；

模型B——去掉墻垛及相關范圍梁板，涉及的荷載在模型中輸到相關構件上。

對結構周期和振型、結構位移、剪重比等主要指標進行對比和分析，并結合分析結論給出相應的措施。

凸出主體結構外的墻垛見圖15。

表3給出了兩個模型的前6階周期對比，從表3中可以看出兩個模型的前6階周期相差均在1%以內，因此可以得出是否帶有墻垛對結構整體的周期影響不大，模型A周期略小于模型B，說明墻垛對結構剛度有微小的貢獻。

表3 結構周期對比

從圖16，圖17分別給出了模型A，B在地震工況、風荷載工況下的位移角對比情況，圖18分別給出了模型A，B在X，Y方向的剪重比對比情況。

從圖16～圖18可以看出模型A,B的位移角及剪重比數據基本一致。

由以上分析結果可知，模型A,B的總體指標基本一致。因此，可知局部凸出主體結構的墻垛對整體影響很小，施工圖中采用兩種模型對結構配筋包絡設計以作加強。

6 結語

著重介紹了某超高層剪力墻結構設計過程中遇到的關鍵問題以及解決措施，各項計算結果均表明該結構方案能夠滿足現行規范和規程的要求，可為同類結構設計提供經驗參考。