幸福華庭V型超限高層住宅結構設計

陳敢超

（廣東中山建筑設計院股份有限公司）

1 工程概況

幸福華庭商住小區項目位于中山市古鎮鎮，同興路與沙古公路交匯處，廣珠城軌古鎮站西側，北至華安東路。其中一區1～4 棟和二區5～7 棟共七棟45 層超高超限V 型住宅樓總建筑面積29.59 萬m2，地上建筑面積24.5 萬m2，地下建筑面積5.09 萬m2，兩層地庫，與十棟20～25 層高層住宅、世界燈博中心和國際貿易中心連成共150萬m2的住宅、商業綜合體，效果圖見圖1。本文主要介紹V型超高層住宅的相關結構設計。

圖1 效果圖

2 主要設計參數

V 型住宅結構設計基準周期為50 年，豎向構件、轉換構件及關鍵節點的建筑結構安全等級為一級，其余結構構件為二級。抗震設防類別為丙類，設防烈度為7度，設計地震分組為第一組，設計基本地震加速度為0.1g，特征周期為0.45s，建筑場地土類別為Ⅲ類。地下室頂板設計為嵌固端，抗震等級框支柱為特一級，剪力墻及核心筒為一級（加強區為特一級），框架柱為一級。建筑物結構主體的高度為159.3m，對風效應特別敏感，根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3-2010）[1]（簡稱《高規》）第4.2.7 條要求，對V型住宅進行風洞試驗。根據項目周邊建筑群狀況，地面粗糙度類別為C類，體型系數取1.4，試驗數據依據華南理工大學土木與交通學院提交的《中山古鎮利和項目風洞試驗和風振分析報告》來取值，風荷載按照風洞試驗結果和規范荷載取值進行包絡設計。

3 結構體系

V 型住宅采用部分框支剪力墻結構體系，標準層平面X 向尺寸47.44m，Y 向尺寸為24.72m，長寬比1.92，高寬比6.44，標準層結構平面布置圖如圖2所示。核心筒外墻厚度自下而上由800mm 減小至250mm，其他位置內墻厚度自下而上由500mm 減小至250mm，轉換層框支柱截面為1000×1200～1600×1600mm。由于個別轉換構件軸線不對中，導致如圖3 所示梁柱節點受力復雜，轉換梁所承擔的剪力很大，因建筑架空層凈高要求需要，轉換梁梁高又不能任意加高，故采取整層加腋處理。采用《上海佳構通用有限元分析軟件STRAT》（簡稱STRAT）[2]做中震作用下的整體有限元分析，梁拉、壓應力和剪應力計算采用1.2（D+0.5L）+1.3（-EY）中震彈性工況，截取最不利切面1、2 作抗剪承載力驗算，驗算結果見表1。

表1 整層加腋轉換梁中震抗剪承載力驗算

圖2 標準層結構平面圖

圖3 轉換層特殊轉換節點示意圖

4 超限情況及應對措施

根據《高規》第3.3.1 條，部分框支剪力墻結構在7度區最大適用高度A級為100m，B級120m，而V型住宅從嵌固端算起高度為159.3m，屬于高度超限。由于建筑功能使用要求，首層至三層為商鋪裙樓，標準層的剪力墻不能直落首層，需在四層樓面設置轉換層，屬于豎向構件Ⅱ類不連續，另外還存在Ⅰ類扭轉不規則、樓板不連續等不規則項。

針對以上超限及存在三項不規則項情況，采取以下結構抗震構造加強措施：

⑴在滿足建筑物平面及造型要求的前提下，均勻合理地布置豎向結構，并加強周邊結構抗震構造措施，使建筑物整滿足抗震要求；

⑵適當加強底部加強區剪力墻水平及豎向分布筋配筋率（取0.6%）；

⑶加強框支框架配筋（柱箍筋增大20%）；

⑷加強端柱配筋（增大20%）；

⑸為使結構滿足抗震設防目標，提高剪力墻邊緣構件、連梁和框架梁配箍率，并采用Ⅲ級鋼，確保剪力墻、連梁和框架梁具有較好的延性，令抗彎屈服先于抗剪屈服，保證構件強剪弱彎；

⑹轉換層上、下各一層樓板加強，板厚不小于150mm，配筋采用雙層雙向拉通鋼筋，配筋率取0.25%。

5 抗震性能目標

考慮社會效益和經濟效益等因素，根據本工程的超限情況、結構特點、結構整體模型的試算結果，并結合概念設計中“強柱弱梁”、“強剪弱彎”“強節點弱構件”和框架“二道防線”等基本概念，制定本工程抗震性能目標[6]。V 型住宅抗震性能目標選用C 級，具體如表2所示。

表2 結構抗震性能目標

6 結構計算分析

6.1 多遇地震（小震）下彈性反應譜分析

本工程的計算選用《復雜多、高層建筑結構分析與設計軟件PMSAP》（簡稱PMSAP）[3]和《建筑結構通用分析與設計軟件GSSAP》（簡稱GSSAP）[4]對結構進行分析比較。結構分析模型中，剪力墻選取三維殼單元，梁和柱采用三維桿單元。由于樓板具有較好的整體性，反應譜分析采用剛性樓板假定。在水平地震作用下，采用考慮扭轉耦聯及高階振型的振型分解反應譜法（CQC 法），V型住宅主要計算結果如表3所示。

表3 主要計算結果

通過PMSAP、GSSAP 兩個軟件計算結果對比可以看出，兩個軟件計算出的結構剛度和變形結果較為吻合，說明采用的力學模型正確，能夠較為準確地模擬結構構件的力學性能[6]。兩個軟件計算結果均滿足多遇地震下規范要求。

6.2 多遇地震下時程分析

根據《高規》5.1.13 條規定，本項目需要進行彈性動力時程分析。采用PMSAP 進行計算，輸入地震波進行動力時程分析，由位移反應計算結構內力。輸入3 條地震波，2 條為分析程序提供的Tg=0.45s 的天然波TH1（cpc_74_nor），TH2(nrg_90_nor)，另外1 條為安評報告提供的人工波RH1(TT63%-1)，主方向加速度峰值38.85cm/s2，次方向加速度峰值33.00cm/s2，詳見圖4，按7 度(0.10g)地震效應、Ⅲ類建筑場地類別條件下進行多遇地震進行彈性動力時程分析。時程分析結果見表4。

表4 彈性動力時程分析結果（PMSAP計算）

圖4 地震波進行動力時程分析圖

從時程分析主要結果與反應譜分析主要結果對比來看，二者基本一致，承載力設計時可取多條時程曲線與振型分解反應譜法計算結果的包絡值。地震波的選擇滿足規范要求。

6.3 設防地震（中震）下結構構件驗算

為保證結構構件實現設防地震下的抗震性能目標，采用廣廈GSSAP 軟件進行中震彈性（豎向抗震構件的斜截面驗算）和中震不屈服（豎向抗震構件的正截面驗算）分析。分析結果顯示：轉換梁和轉換柱正截面和斜截面強度、剪力墻和框架柱的斜截面強度均達到中震彈性的性能目標，剪力墻和框架柱的正截面強度也能達到中震不屈服的性能目標，滿足《高規》的要求。而連梁、框架梁等耗能構件則部分進入抗彎屈服，并未發生脆性剪切破壞，其受剪截面均滿足《高規》要求。

6.4 罕遇地震（大震）下彈塑性時程分析

為充分了解V 型住宅結構在罕遇地震作用下的動力特性和破壞模式，采用佳構STRAT 軟件進行罕遇地震下彈塑性時程分析。根據《廣東省高層建筑混凝土結構技術規程》（DBJ 15-92-2013）[5]（簡稱《粵高規》）第3.11 節結構抗震性能設計及第5.5 節結構彈塑性分析及薄弱層彈塑性變形驗算的有關規定進行分析計算。本工程采用前文多遇地震分析的3 條地震波（RH1、TH1、TH2），分別按X 向、Y 向為主方向進行單向彈塑性時程分析。轉換層模型及典型落地剪力墻、框支柱、框支梁、轉換上一層剪力墻等關鍵構件的應力圖如圖5所示。

圖5 轉換層模型及各關鍵構件應力圖

綜上彈塑性動力分析后可知，V 型住宅結構具有較好的承載力和抗側剛度，結構整體及構件性能很好滿足抗震需求。3 條地震波在大震作用下產生的基底剪力包絡值是小震的4.6 倍（X 向）和5.0 倍（Y 向），結構在大震作用下整體剛度沒有明顯的下降突變，大震作用下結構彈塑性層間位移均小于規范限值1/150，滿足大震抗震性能目標的設防要求，達到了預期的結構抗震性能設計目標。

7 結論

本文根據幸福華庭V 型住宅的超限情況及結構復雜特點，設定合理的抗震性能目標，利用多個軟件對建筑結構進行多遇地震（小震）、設防地震（中震）和罕遇地震（大震）下的計算分析，并對重要（關鍵）構件或部位進行補充驗算，提出相應的加強抗震構造措施，論證了在地震作用下該超限高層建筑的結構是安全可靠的，能夠實現“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震性能設計目標。該超限住宅建筑經有效的抗震設防后，能夠有效減輕建筑的地震破壞，避免人員傷亡，減少社會經濟損失。