某超高層商住樓超限結構抗震性能分析

王文宇

（深圳市同濟人建筑設計有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

隨著時代的發展，塔樓建筑越來越高，多為上部居民住宅，下部商業裙房。這樣的高樓，往往需通過結構轉換實現其功能及效果上的需求[1-3]。目前轉換結構高度多為100m以內，超B級高度的轉換結構較少。本文以某超B級高度商住樓的框支剪力墻結構為例，進行相關超限結構抗震性能分析。

1 項目概述

1.1 基本情況

本項目位于深圳市羅湖區，總用地面積約1.7萬m2，總建筑面積約18.6萬m2。含3棟高層住宅塔樓及一棟三層幼兒園，下設三層地下室。A、B、C座住宅結構高度均為174.05m，屬超B級高度結構。各塔樓通過3~4層的裙房相連，形成多塔結構。除核心筒剪力墻及極少數剪力墻向下延伸至基礎外，其余剪力墻均在裙房頂的架空層進行轉換，成為框支剪力墻結構。地下室為3~4層，埋深約15.5m。

1.2 結構布置

本項目三棟塔樓雖然平面形狀存在差別，但根據《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），各塔樓的主要超限點基本一致，包括：高度174m超限；各塔樓標準層部分均存在部分樓層扭轉位移比大于1.20；B、C座最大凹進尺寸大于相應邊長30%；B、C座樓板有效寬度均小于50%；通過裙房不設縫相連，屬多塔結構；豎向構件存在較大程度的轉換。本項目三棟高層商住樓均屬于超限結構，本文以A座為例分析其抗震性能。A座標準層及框支層平面圖如圖1、圖2所示。

圖1 A座標準層平面圖

圖2 A座轉換層平面圖

A座住宅共53層，標準層層高為2.9m，其中10層、26層、42層為避難層，層高4.0m。裙房三層，局部含夾層，四層為框支層，層高7.2m。塔樓高寬比約為6.3。轉換層及以下墻厚600~400，標準層墻厚400~200?？蛑е叽鐬?500×1500~1600×2150（含型鋼），框支主梁尺寸為900×2000~2100×2000（含型鋼），框支次梁尺寸為700×1800~1200×1800。

2 抗震性能目標與分析

2.1 抗震性能目標

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）（以下簡稱“高規”）第3.11節[1]，各棟塔樓選擇抗震性能目標為C類。其中關鍵構件不同水準的抗震性能目標為多遇地震彈性，偶遇地震抗剪彈性、抗彎不屈服，罕遇地震抗剪不屈服、抗彎個別屈服。

2.2 抗震性能分析

2.2.1 多遇地震彈性分析

（1）反應譜分析。

本項目采用YJK與ETABS兩個軟件進行多遇地震與風荷載作用下的指標分析，并相互校核。結果顯示兩個軟件的分析結果差值均在5%以內。

（2）彈性時程分析。

本項目采用彈性時程分析法進行補充計算。小震彈性階段采用2條人工加速度時程波和5條天然加速度時程波進行分析。結果顯示時程結果的底部剪力平均值與CQC結果相當，X、Y方向比值分別為1.01及0.99。反應譜分析的局部樓層剪力需根據時程分析結果進行放大，其中X向49~58層的樓層剪力放大倍數為1.02~1.08，Y向16~30層、38~58層的樓層剪力放大倍數為1.01~1.2。

（3）單、多塔對比。

三棟高層塔樓通過底部商業裙房相連，形成多塔結構。根據《高規》5.1.14條規定，多塔結構宜按整體模型和各塔樓分開的模型分別計算，并采用較不利的結果進行結構設計。單、多塔模型主要計算指標對比如表1所示。

表1 單、多塔指標對比

從表1可知，多塔模型與單塔模型計算結果基本一致，裙房對塔樓的整體指標影響較小?？傮w上，多塔模型中，塔樓的周期略有延長，樓層位移角略有加大，塔樓底部剪力與彎矩互有大小關系。裙房樓層的位移比按多塔模型計算更準確。對比單、多塔模型的構件配筋，結果大致相同，僅局部配筋相差在10%內，可判斷在多遇地震和風作用荷載下，商業裙房大底盤多塔對結構整體和構件設計的影響相對較小。施工圖中裙房按照多塔模型進行設計；裙房高度內塔樓根據多塔及單塔模型進行包絡設計。裙房屋面為大底盤頂，參照多塔復雜結構的板厚及配筋加強。

2.2.2 設防地震抗震性能分析

（1）豎向關鍵構件抗剪彈性、抗彎不屈服。

對設防地震與多遇地震作用下的配筋結果進行比較，結果顯示框支柱、底部加強區剪力墻的配筋基本一致，表明根據規范要求對框支柱進行小震設計，其性能可以基本達到中震抗彎不屈，抗剪彈性的目標。僅結構外圍的局部框支柱與剪力墻配筋有所加大，經分析，是由于設防地震作用下，邊角處的豎向構件出現較大拉應力，其中框支柱最大名義拉應力為3.9MPa，部分剪力墻端柱最大拉應力為4.5MPa，大于材料強度標準值2.85MPa，框支柱及剪力墻邊緣構件通過配置型鋼或加大縱筋配筋率后均可滿足抗拉要求。

（2）轉換梁構件抗剪彈性、抗彎不屈服。

設計前期，框支轉換梁均采用普通鋼筋混凝土大梁，結果顯示較多截面抗剪及抗扭不滿足要求。故將框支主梁及部分框支次梁改為型鋼混凝土梁。

對比YJK小、中震下的框支梁配筋，結果顯示小震配筋包絡了中震抗剪彈性抗彎不屈服的配筋需求?；诎踩紤]，采用ETABS計算所得的中震內力進行配筋復核，結果顯示兩個軟件的結果相對接近，表明結構具有較高的可靠度，通過合理配筋可滿足抗剪彈性，抗彎不屈服的性能目標。

（3）轉換層樓板有限元彈性分析。

轉換層樓板既是傳遞樓層水平力并按剛度分配至所有抗側力系統的關鍵構件，也是框支大梁的翼緣，與框支轉換梁共同工作。本項目采用殼單元對轉換層樓板進行模擬，驗證樓板的中震彈性的性能目標，并提出施工圖階段的配筋指導。

本項目轉換層框支梁數量多，尺寸大，純樓板區域范圍較小，樓板應力未出現明顯的豎向受荷模式，應力主要由水平荷載產生，集中于與核心筒落地墻相連的區域。樓板壓應力均在混凝土抗壓承載力范圍內，拉應力也基本在5MPa以內?？紤]到應力集中多在與墻相交節點及墻體拐角處，總體呈現以核心筒為中心的井字形分布。施工圖中，考慮板厚為200mm，局部應力集中區域進行配筋加強，采取三級鋼14@10雙層雙向加密的配筋形式。

2.2.3 罕遇地震彈塑性時程分析

采用SAUSAGE軟件對結構進行罕遇地震的彈塑性時程分析。結果顯示罕遇地震的基底剪力是多遇地震的4.0~5.3倍，大震底部剪力與小震彈性時程分析的比值合理，抗側力構件在兩個方向均進入了彈塑性。樓層彈塑性位移最大值為X向1/219，Y向1/217，均滿足1/150的性能目標[4]。

框架柱及框支柱的整體性能多數為無損壞~輕微損壞。塔樓剪力墻的性能多數在無損壞~輕度損壞狀態，僅局部個別邊緣構件區域出現中度損壞，施工圖中將對特定位置的邊緣構件進行配筋加強。較多連梁出現中度~嚴重損壞，符合抗震多道防線的設計預期。框支梁采用殼單元模擬，整體性能在無損壞~輕度損壞狀態；框支梁受力以重力荷載為主，梁底拉應變相對大，總體應變水平不高。裙房各樓層在與塔樓相連的周邊出現較多輕微損壞~輕度損壞，反映了偏置大裙房扭轉效應的不利影響，應采取措施，控制裙房扭轉，并適當加大塔樓周邊樓板厚度與配筋。

2.2.4 框支層的可靠性與耗能區分析

本項目框支轉換的特點為框支柱在外、落地核心筒在內，且外圍接近全框支轉換。對落地墻與框支柱傾覆彎矩分配這一重要指標，不同算法差異較大，如表2所示。對比轉換柱與托墻的截面積，前者為后者的1.1倍，一定程度上表明了框支層以下的抗剪承載能力不低于上部結構，豎向構件尺寸與總面積合理，框支層以下豎向構件總體軸壓比可以控制在相對較低的水平。

表2 A座首層框架柱傾覆力矩比例

近年來，一些地鐵上蓋項目出現了類似的大范圍框支轉換，甚至全轉換，這些項目的分析與設計顯示一般框支柱頂先屈服，但仍然具備承載力。對此，認為柱頂完全屈服，甚至成鉸接的屈服機制應持謹慎態度。因此，為論證框支層的可靠性與實際耗能區位置，考慮對結構進行2倍時長的罕遇地震時程激勵。

結果表明，框支梁及框支柱首先出現損傷，但隨地震力的持續作用，其損傷程度發展有限，主要損傷出現于首層落地剪力墻及轉換層以上的底部加強區，與規范規定的底部加強區相符。耗能順序與損傷開展順序相同，第一道防線為連梁構件耗能，第二道防線為落地剪力墻耗能，框支柱未充分發揮第二道防線的作用。損傷隨即轉移至轉換層以上的2~3層墻體，與落地剪力墻共同成為主要耗能區。故雖框支柱的底部傾覆彎矩按軸力方式超限較多，但損傷程度有限，不會引起結構安全問題。按防線的開展順序，結構加強部位應特別關注連梁，底層落地墻及轉換層以上的底部加強區采取相關的加強措施。

3 結構設計加強措施

根據各地震效應和各專題分析結果，本項目有針對性地采取以下主要的加強措施：

（1）塔樓底部落地剪力墻墻身水平和豎向分布筋配筋率不低于0.45%，轉換層以上加強區部位剪力墻墻身水平和豎向分布筋的最小配筋率不低于0.45%，底部加強區邊緣構件縱筋配筋率不低于1.5%。約束邊緣構件層與構造邊緣構件層之間設置2層過渡區，剪力墻水平和豎向分布筋配筋率不低于0.35%。

（2）對于出現小偏拉的墻肢，按特一級構造進行加強，全截面縱向鋼筋配筋率不小于0.6%。

（3）轉換層樓板采用200mm雙層雙向配筋，并根據殼元模型在支座位置處加強。核心筒與薄弱連接樓板配筋不小于14@100。

（4）加強塔樓框支轉換以下樓層的框架梁配筋，縱筋取計算值的1.1倍，推遲框支樓層塑性鉸出現的時間，提高其整體性能。

4 結束語

本項目用兩個軟件計算所得的指標相當，基本滿足規范要求。時程分析與反應譜之間具有一致性和規律性。設防烈度地震作用下，關鍵構件處于受彎不屈服、抗剪彈性狀態；框架梁、連梁僅部分出現受彎屈服，但受剪不屈服，能夠滿足預定的性能目標。罕遇地震作用下，結構層間彈塑性位移角滿足規范要求，結構主要抗側力構件沒有發生嚴重破壞；可滿足預定的抗震性能目標。其余專項分析表明，通過有針對性的加強配筋，增大構件尺寸，特殊構造做法等方式可滿足項目存在的平面不規則、多塔、構件間斷等特殊情況受力需求，是安全、可靠、合理且滿足規范要求的。