高層住宅建筑結構的抗震優化設計策略研究

劉璇，賈鴻遠

（南京金宸建筑設計有限公司，江蘇 南京 210019）

1 工程概況

本工程為住宅項目，擬建項目位于昆山市，項目總用地面積105566.0m2，本期用地面積17152.95m2,總建筑面積62059.42m2,地下建筑面積16026.54m2。本工程由2#、7#、12#、S3#配電房、地庫組成。2號樓為29層單元式住宅，7號樓為34層單元式住宅，12號樓為31層單元式住宅，S3#配電房（5.200m）為一層框架結構，地下室共一層，地下一層為機動車庫、非機動車庫、設備用房。2#、7#、12#樓建筑最大高度為98.600m，是一個A級高度鋼筋混凝土高層剪力墻建筑。

2 工程地質概況

（1）場地地形、地貌。擬建場地位于昆山市，隸屬長江三角洲太湖流域沖湖積相沉積平原，地貌形態單一，水系發育。場地原為昆山印染廠（已拆）、后經覆土現場已無廠址蹤跡，西側現為大潤發超市，場地已基本回填整平?？辈炱陂g測得各勘探孔孔口高程在2.06～3.40m之間（1985國家高程）。

（2）巖（土）層性質及分布。經勘探揭示，場地自然地面下最大勘探深度80.50m以淺的土體為第四紀更新世以來的沖湖積~湖海相碎屑沉積物。根據其巖性特征及其物理力學性質的差異性，可劃分為8個工程地質層，并細分為11個工程地質亞層。

（3）天然地基承載力評價。根據各土層的抗剪強度指標、原位測試指標及物理指標確定的各土層的承載力特征值以及根據以上結果并結合本地區工程實踐經驗綜合確定的承載力特征值fak見表1所示：

表1

3 基礎設計方案

本工程±0.00相當于1985國家高程4.30m，抗浮設防水位可取昆山地區近期多年最高潛水水位標高為1.80m或室外設計地坪標高下0.5m中的最大值。本工程底板板底絕對標高約-5.55m，位于③粉質粘土夾淤泥質粉質粘土中，其承載力特征值fak=60kPa。2#、7#、12#樓采用樁基礎，樁采用φ700鉆孔灌注樁，以⑥2粉土夾粉砂層作為樁基礎持力層，根據前期試樁結果，單樁抗壓承載力特征值3700kN。地下車庫為地下一層，樁基承受上拔力，⑥1層粉土夾粉砂作為樁基礎持力層，選用預制方樁（400mm×400mm），混凝土強度等級C30，工程樁抗壓承載力按單樁抗壓承載力特征值1500KN設計，抗拔承載力按單樁抗拔承載力特征值400KN設計。

4 抗震性能分析與設計措施

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)的規定，需進行結構高度、一般不規則性、特別不規則抗震超限檢查。綜合三項超限檢查結果，本工程存在1項一般不規則性，無特別不規則，根據GB50010-2010第3.4.1條，屬于比較規則的A級高度不超限高層建筑。針對本工程，依據GB 50011-2010和JGJ 3-2010，主要采取如下分析與設計措施：

（1）參照GB 50011-2010第5.1.2條，采用時程分析法進行多遇地震下的補充計算。采用時程分析法時，根據建筑場地類別選用2組實際強震記錄和1組人工模擬的加速度時程曲線，保證所選時程曲線的平均地震影響系數曲線與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線在統計意義上相符；彈性時程分析時，每條時程曲線計算所得結構底部剪力不小于振型分解反應譜法計算結果的65%，多條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值不小于振型分解反應譜法計算結果的80%。樓層地震剪力取時程計算所得最大值與振型分解反應譜法計算結果進行包絡設計，保證各構件滿足多遇地震彈性要求。

（2）采用PKPM軟件進行罕遇地震靜力彈塑性時程分析，檢查構件和整體結構的損傷情況，對重要和薄弱部位提出加強措施；關鍵構件平面布置與編號如圖1所示。

圖1

（3）科學設計結構抗震體系，設置多道抗震防線。在高層住宅建筑結構設計過程中，應當科學設計結構抗震體系，應當將安全性放在首位，要保障高層住宅建筑結構的穩定性。為提高抗震體系設計水平，需基于高層住宅建筑所在區域的特征，以及該區域地震災害的發生概率，來制定適宜的設計方案，與此同時還需要考慮經濟性，盡量在預期成本資金投入范圍內完成。如若條件允許，可以于高層住宅頂層中鋪設橡膠層，其能夠有效緩沖地震災害引發的外部沖擊力，減輕高層住宅建筑所要面對的外力，使之承受力得到大大提升，取得較好的抗震效果，維護居民的生命財產安全。要根據高層住宅建筑結構的實際情況，來設置多道抗震防線，盡量提高結構的抗震性。需要將抗震體系當作是一個整體，選擇具有一定延性的、優質的構件，將其作為高層住宅建筑結構抗震的第一道防線，每一個構件都需要有一定的自我保護能力，等到第一道抗震防線屈服后，后面的防線才會屈服。如若地震等級比較大，那么其外部沖擊力機會增大，具有較強的破壞性，當地震防線被沖破后，還有多道防線能夠對高層住宅建筑結構進行保護，以避免其受到嚴重損壞。

5 設計加強措施與論證結論

首先采用SATWE補充進行了多遇地震作用下彈性時程分析，所選擇的3組地震波滿足規范要求，結構設計取用時程分析最大值與振型分解反應譜法的結果進行包絡設計，保證各構件滿足多遇地震彈性要求。然后采用PKPM軟件進行罕遇地震靜力彈塑性時程分析，檢查構件和整體結構的損傷情況。結合大震工況下性能點步驟時結構整體損傷情況，對底部加強區損傷嚴重的山墻、樓梯間端部的剪力墻，適當的提高墻體的水平和豎向的配筋率，加強墻體的抗拉和抗剪承載力。

本工程底部加強區剪力墻局部存在錯位，錯位部位上下層的剪力墻Q7a和Q7的抗震等級提高一級后至一級，剪力墻Q7a和Q7兩端端柱和連接剪力墻Q7a和Q7的框支梁的抗震等級提高一級后至一級。同時相關區域的樓板板厚加強至200，實際計算時按照彈性膜考慮，最小配筋率按照雙層雙向0.25%控制。

本工程屬于比較規則的A級高度高層建筑。為了全面了解其抗震性能，采用SATWE軟件進行了多遇地震彈性反應譜計算、補充彈性時程分析、罕遇地震靜力彈塑性分析。

本工程結構分析模型準確，參數選擇符合規范要求和工程現場條件；根據分析結果，對局部進行針對性地適當加強、對錯位處的框梁進行有限元分析，抗震性能能夠滿足規范要求，且承載能力和變形能力尚有一定的富余。