淺談某超高層住宅樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張 錕（山西晉設(shè)拓凡建筑設(shè)計(jì)咨詢有限公司，山西 太原 030000）

1 建筑概況

本工程為一棟住宅樓，由3層地下室，40層地上組成?？偨ㄖ娣e30959m2，地下建筑面積1933m2，地上建筑面積29026m2，地下部分為3層地下室：其中地下一層為設(shè)備層，層高2.15m；地下二、三層為儲(chǔ)藏間，層高3.6m；地上部分為住宅，層高3.0m，結(jié)構(gòu)體系為剪力墻結(jié)構(gòu)?；A(chǔ)形式為樁筏基礎(chǔ)。

2 設(shè)計(jì)依據(jù)

a.業(yè)主提供的設(shè)計(jì)任務(wù)書；

b.建筑專業(yè)提供的建筑平、立、剖面圖紙；

c.太原市建筑設(shè)計(jì)研究院提供的《融創(chuàng)外灘壹號(hào)項(xiàng)目1.2期巖土工程勘察報(bào)告（詳勘階段）》；

d.《超限高層建筑工程抗震設(shè)防管理規(guī)定》（建設(shè)部令第[2015]111號(hào)）；

e.《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》（建質(zhì)[2015]67號(hào)）；

f.《山西省超限高層建筑工程抗震設(shè)防界定規(guī)定》（晉建質(zhì)字[2018]272號(hào)）；

g.《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)(2016年版)等現(xiàn)行相關(guān)國(guó)家規(guī)范。

3 主要設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

3.1 結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)參數(shù)

建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)：二級(jí)；周期折減系數(shù)：0.95；設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：50年；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：1.0；抗震設(shè)防類別：丙類；建筑高度類別：B類；高寬比：8.1；基礎(chǔ)設(shè)計(jì)類別：甲級(jí)；抗震設(shè)防烈度：8度；設(shè)計(jì)地震分組：第二組；抗震措施：按8度要求；設(shè)計(jì)基本地震加速度：0.2g；場(chǎng)地類別：III類；特征周期：0.55s；水平地震影響系數(shù)最大值：0.16；小震阻尼比：0.05；中、大震阻尼比：0.06、0.07；嵌固層位置：地下室頂板(±0.000)。

3.2 底部加強(qiáng)區(qū)高度

剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)高度為地下室頂板至墻體高度的1/10，本項(xiàng)目為1~5層。過(guò)渡層為6,7層。

3.3 扭轉(zhuǎn)周期比

結(jié)構(gòu)第一扭轉(zhuǎn)周期Tt與第一平動(dòng)周期T1之比不應(yīng)大于0.90。計(jì)算周期比時(shí)不考慮質(zhì)量偶然偏心的影響，本工程平動(dòng)周期扭轉(zhuǎn)成分小于15%；注：抗震設(shè)計(jì)時(shí)，樓層位移計(jì)算不考慮偶然偏心的影響。

3.4 位移比控制

在規(guī)定水平地震力作用下，考慮偶然偏心影響，結(jié)構(gòu)樓層水平位移和層間位移不大于該樓層平均值的1.4倍。

3.5 整體穩(wěn)定指標(biāo)

高層建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定應(yīng)符合《高規(guī)》5.4.4（1）要求。

3.6 豎向構(gòu)件軸壓比限值

抗震等級(jí)特一級(jí)，一級(jí)，二、三級(jí)，剪力墻軸壓比分別不大于0.48,0.50，0.60。

3.7 計(jì)算軟件

北京盈建科軟件有限責(zé)任公司YJK建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算模塊，版本為1.9.1.0；MIDAS building（版本2016）。

4 荷載選擇

4.1 樓面、屋面荷載，按規(guī)范取值

門廳，走道，4.0；機(jī)房，3.5；首層樓面（按±0.00考慮），5.0；衛(wèi)生間、陽(yáng)臺(tái)，2.5；住宅客廳、臥室、廚房，2.0；上人屋面，2.0；不上人屋面，0.5（單位：kN/m2）。

4.2 規(guī)范地震作用

小震地震動(dòng)參數(shù)按抗震規(guī)范取值，小震作用下阻尼比取0.05，地震影響系數(shù)αmax取0.16.相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表+ 相關(guān)地震參數(shù)取值

4.3 中震（大震）不屈服

在中、大震作用下，構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)滿足“屈服承載力設(shè)計(jì)”，與彈性計(jì)算不同的是，計(jì)算中可不考慮風(fēng)荷載效應(yīng)組合和地震內(nèi)力調(diào)整，材料強(qiáng)度使用標(biāo)準(zhǔn)值，荷載分項(xiàng)系數(shù)和抗震承載力調(diào)整系數(shù)均取1.0。

5 工程地質(zhì)條件

5.1 地質(zhì)概況

土層從上到下依次為填土、粉砂、粉土、粉砂、粉質(zhì)黏土、中砂、粉土、細(xì)砂、中砂、粉土、圓礫、粉土。

5.2 場(chǎng)地地下水

水位標(biāo)高介于785.15m～786.45m。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，水位隨季節(jié)性變化幅度約+1.00m。抗浮水位標(biāo)高按787m考慮。

5.3 建筑抗震地段劃分

建筑場(chǎng)地屬于建筑抗震不利地段，場(chǎng)地屬于嚴(yán)重液化場(chǎng)地，非濕陷性場(chǎng)地。

6 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

6.1 基礎(chǔ)選型

本住宅樓層較多，基底壓力較大，需要的單樁承載力較高，且本場(chǎng)地屬于嚴(yán)重液化場(chǎng)地，因此，采用鋼筋混凝土后壓漿灌注樁-筏板基礎(chǔ)。樁為筏板下滿布，樁徑800，有效樁長(zhǎng)47m，樁端持力層在第13層粉土層，筏板板厚1.8m。豎向荷載通過(guò)筏板傳遞給樁基。

6.2 樁基承載力計(jì)算

本工程擬建場(chǎng)地屬嚴(yán)重液化場(chǎng)地，液化土層主要為第2層粉砂，第3層粉土，第4層粉砂層，基礎(chǔ)位于第2層粉砂層，基礎(chǔ)底標(biāo)高下液化土層厚度最深6.3m。工程樁計(jì)算考慮液化折減，基底以下液化折減系數(shù)為0。

單樁承載力特征值為5150kN（考慮液化折減），根據(jù)樁基有限元計(jì)算結(jié)果，非地震荷載作用下最大樁反力為4919kN，平均反力為4286kN；地震荷載作用下，最大樁反力為6100kN<1.5×5150kN，平均反力為4045kN，滿足規(guī)范要求。本工程高寬比超限，在罕遇地震作用下，單樁壓力、拉力均小于單樁豎向抗壓，抗拉承載力極限值的0.9倍（承載力考慮地震放大系數(shù)1.5倍）。

6.3 基礎(chǔ)沉降

根據(jù)初步計(jì)算的結(jié)果，在準(zhǔn)永久荷載作用下，本工程總沉降量最大值為33mm，最小沉降量為23mm，最大值和最小值處整體傾斜為0.0004<0.002，沉降量和整體傾斜可以滿足規(guī)范要求。

7 結(jié)構(gòu)選型

項(xiàng)目高度120.15m，地下3層，地上40層，設(shè)防烈度8度，采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

8 超限情況判定及對(duì)應(yīng)措施

8.1 本工程存在三個(gè)超限內(nèi)容

高度120.15m＞100m,B級(jí)高度高層建筑。

凹凸不規(guī)則：凹進(jìn)尺寸占相應(yīng)邊長(zhǎng)42.3%＞30%。

高寬比：8.1＞7.

8.2 針對(duì)超限所采取的措施

根據(jù)上述超限情況，本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用如下加強(qiáng)措施：

a.設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)主體結(jié)構(gòu)采用YJK和Midas/building兩個(gè)不同力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行整體計(jì)算，對(duì)比分析結(jié)構(gòu)周期、層間位移角、位移比、剪重比、剛重比等計(jì)算結(jié)果，通過(guò)結(jié)果比較，判斷結(jié)構(gòu)整體計(jì)算的合理性，及關(guān)鍵構(gòu)件計(jì)算的準(zhǔn)確性。

b.采用YJK及Midas/building進(jìn)行振型的模態(tài)分析，復(fù)核結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，更準(zhǔn)確地反映高階振型對(duì)地震效應(yīng)的影響。

c.補(bǔ)充彈性動(dòng)力時(shí)程分析，地震效應(yīng)采用加速度反應(yīng)譜與時(shí)程分析包絡(luò)值進(jìn)行設(shè)計(jì)。

d.針對(duì)超限情況，將底部加強(qiáng)區(qū)的豎向構(gòu)件設(shè)為關(guān)鍵構(gòu)件。計(jì)算上采用盈建科軟件進(jìn)行了中震、大震下等效彈性分析、罕遇地震下的彈塑性時(shí)程分析，保證關(guān)鍵構(gòu)件及耗能構(gòu)件滿足中震及大震下的性能目標(biāo)。

e.根據(jù)性能目標(biāo)的設(shè)定采取相應(yīng)的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件延性及構(gòu)件配筋率等構(gòu)造措施。

9 針對(duì)結(jié)構(gòu)超限的抗震加強(qiáng)措施

本工程的抗震設(shè)防性能目標(biāo)定為C級(jí)，丙類建筑，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)為一級(jí)，中震時(shí)出現(xiàn)小偏心受拉的剪力墻按特一級(jí)構(gòu)造。

根據(jù)性能目標(biāo)的設(shè)定，采取比規(guī)范更嚴(yán)格的配筋構(gòu)造，提高結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的抗震性能。

針對(duì)中、大震薄弱部位的加強(qiáng)，增強(qiáng)構(gòu)件延性，采用高性能混凝土，控制底部墻體軸壓比不超過(guò)0.5，并適當(dāng)增大墻體配筋率。對(duì)出現(xiàn)拉應(yīng)力的墻肢，通過(guò)設(shè)置型鋼混凝土邊緣構(gòu)件，提高構(gòu)件延性。對(duì)于中震標(biāo)準(zhǔn)值作用下出現(xiàn)偏心受拉的構(gòu)件，邊緣構(gòu)件縱筋配筋率增大至1.4%；受拉區(qū)延伸至底部加強(qiáng)區(qū)部位以上時(shí)，將外墻約束構(gòu)件延伸至該層，相應(yīng)墻身配筋率不小于0.4%，并將約束邊緣構(gòu)件延伸至剪力墻軸壓比大于0.3的樓層；凹進(jìn)部位相鄰兩側(cè)樓板板厚120mm，配筋雙層雙向設(shè)置；東南角的陽(yáng)臺(tái)處最外側(cè)剪力墻為丁接，將此陽(yáng)臺(tái)推拉門處的墻也設(shè)置為剪力墻，以提高此處抗震性能。

為提高連梁的斜截面受彎承載力，中、大震分析下?lián)p壞嚴(yán)重的連梁增設(shè)兩道交叉斜向鋼筋或交叉暗撐。

根據(jù)大震彈塑性時(shí)程分析結(jié)果，對(duì)于部分大震時(shí)損傷較大的墻肢（如Q5，Q2等）采取加大邊緣構(gòu)件及墻體分布筋配筋率（底部加強(qiáng)部位0.4%，一般部位0.35%）的措施，提高抗震性能，減小損傷程度。

部分樓蓋加強(qiáng)構(gòu)造：電梯、樓梯等開(kāi)洞周邊樓板加厚至不小于130，配筋雙層雙向拉通設(shè)置。

針對(duì)高寬比超限，在罕遇地震作用下，單樁壓力、拉力均小于單樁豎向抗壓，抗拉承載力極限值的0.9倍（承載力考慮地震放大系數(shù)1.5倍）。

10 結(jié)語(yǔ)

本工程采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系，把概念設(shè)計(jì)和抗震性能化設(shè)計(jì)方法相結(jié)合，采用多種計(jì)算程序進(jìn)行了彈性和彈塑性的計(jì)算，對(duì)結(jié)構(gòu)的體系和構(gòu)件布置進(jìn)行了詳細(xì)分析，針對(duì)結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行針對(duì)性加強(qiáng)，使得各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范及預(yù)設(shè)性能目標(biāo)的相關(guān)要求。

綜上所述，本工程結(jié)構(gòu)除能夠滿足豎向荷載和風(fēng)荷載作用下的有關(guān)指標(biāo)外，抗震性能目標(biāo)滿足C級(jí)的要求，整體結(jié)構(gòu)合理有效，并且安全可行。