皇都花園二期2號樓超限高層結構抗震設計

陶文霞

（大地建筑事務所（國際）上海分公司，上海 200122）

近年來，隨著人們生活水平不斷提高，對居住環境的要求越來越高，對房型的要求越來越挑剔。精明的開發商為了迎合消費者的心理，側重于營造居住生活空間的舒適性，由此大量不規則住宅出現。《抗規》3.4.3條明確規定了不規則類型主要有平面不規則和豎向不規則，其中平面不規則包含扭轉不規則，凹凸不規則，樓板局部不連續；豎向不規則包含了側向剛度不規則，豎向抗側力構件不連續，樓層承載力突變[1]。

1 工程概況

本工程為友富（上海）有限公司投資開發的皇都花園二期。皇都花園位于上海閔行七寶鎮地區，與莘莊鎮比鄰。基地南面為顧戴路，東為新鎮路，西面為北橫涇，北側為寶銘路，總用地面積22.89公頃。皇都花園二期主要由10棟高層住宅建筑組成，住宅層數從12層到20層，其中2號樓為20層。本工程屬丙類建筑，結構安全等級為二級，合理使用年限為50年，設計特征周期0.9，設計地震分組為第一組，抗震設防烈度7度，設計基本地震加速度為0.10g。多遇地震時，水平地震影響系數最大值為0.08，建筑場地屬IV類場地。

2 結構設計

2.1 結構選型及布置

2號樓結構平面為‘Y’形，采用剪力墻結構，剪力墻抗震等級為三級。主樓高度為20層，61.0m，出屋面塔樓一層高4.8m。結構高寬比為1.42。地下室層高為3.5m，地面以上一層層高為3.5m，其余為3.0m，屋面層為3.5m。地下室外墻厚350mm，地面以上外墻為300mm，內墻為250mm及200mm，個別部分為300mm。地下室頂板厚180mm，二層樓板因開大洞加強厚150mm，頂層厚150mm，其余層厚120mm（其中各肢連接部位加強厚150mm）。二層和標準層結構平面布置圖見圖1，圖2。

2.2 結構超限情況與不規則性

2號樓平面形狀為‘Y’形，其中Bmax=43.104m，L=49.441m，l=24.970m，b=10.075m。根據《超限高層建筑工程抗震設計指南》[2]其超限主要在如下幾個方面：

1)l=0.58Bmax>0.30Bmax;b<0.30L且b<0.5l

2)樓板不連續：二層樓板開洞后，有效寬度小于該樓層樓板典型寬度的50%,開洞面積大于該樓面面積的30%[2]

3)扭轉不規則：考慮偶然偏心影響的地震作用下，樓層的最大彈性水平位移（層間位移）大于該樓層兩端彈性水平位移（層間位移）平均值的1.2倍[2]。由于平面不規則，南北不對稱，結構扭轉效應較大，某些樓層豎向構件的最大水平位移與樓層平均值之比大于1.2，屬扭轉不規則

綜上所述，2號樓為平面不規則的超限結構，需按超限高層的有關要求設計。

3 結構分析

由于2號樓屬平面不規則的超限高層結構，所以采用SATWE，PMSAP兩種計算軟件進行整體計算分析與比較，并進行了抗震專項審查。計算地震作用時采用空間扭轉耦聯的振型分解反應譜法，計算振型數為15，以地下室底板面作為上部結構的嵌固端，計算單向地震作用時考慮偶然偏心的影響，同時由于結構質量和剛度分布明顯不對稱，計算中也考慮了雙向地震作用下的扭轉影響。另外由于結構體型為‘Y’型，結構抗側力構件非正交，計算中按多個角度進行了驗算，由程序自動算出最不利方向角，找出了最弱方向進行抗震驗算。在整體計算中采用樓板剛性假定，但是在樓，電梯間附近和開大洞的周邊，計算時設置為彈性板，各樓層中如樓板缺失較多時也將該樓層板設為彈性板。按總剛模式進行計算分析，找出結構的剛度突變部位和薄弱部位。各種計算結果見列表所示。

計算成果表

從計算結果來看兩個程序計算的結果基本吻合，結構性能包括結構的自身振動特性，地震作用和結構位移均能滿足規范要求。以扭轉為主的第一自振周期為第三周期，其值小于第一平動周期的0.90，但比較接近。結構水平位移由地震作用控制，各樓層的最大層間位移角均小于規范規定的限值；在考慮偶然偏心影響的單向地震作用下，樓層的最大彈性水平位移（層間位移）與該樓層兩端彈性水平位移（層間位移）平均值的比值控制在1.3以內，能較好的控制地震作用下的扭轉效應；計算的累計有效質量系數大于90%，說明所選計算振型數滿足要求；各樓層水平地震剪力與樓層重力荷載代表值的比值均滿足《抗規》[1]5.2.5條的要求。

計算程序 SATWE PMSAP自振周期扭轉成份T1 1.6061 1.00 0.00 1.531763 1.00 0.00 T2 1.5409 1.00 0.00平動成份周期周期1.461405 0.98 0.02扭轉成份1.327660 0.03 0.97 T3/T1=86.7%T3 1.3207 0.00 1.00周期比 T3/T1=82.2%第一地震方向91.59%第一地震方向98.02%第二地震方向91.58%第二地震方向98.36%有效質量系數地震作用X：1/1131 X：1/1097最大值層間位移角Y：1/1146 Y：1/1124 X：1.23最大層間位移與平均層間位移的比值（最大值）X：1.30 Y：1.18 Y：1.23 X：1/4301 X：1/3808平動成份風載作用 最大值層間位移角Y：1/3472 Y：1/3658 Qox/Ge=3.57%Qox/Ge=3.12%剪重比Qoy/Ge=3.54%Qoy/Ge=3.05%

4 結構抗震設計及構造加強措施

2號樓采用了‘Y’型的建筑樣式，而這類建筑由于其平面的嚴重不規則性，建筑中抗扭剛度的設計與控制成了重中之重。本工程在試算時，第一振型周期以扭轉為主，結構位移比也較大。周期比和位移比是反映結構抵抗地震扭轉效應的指標，它控制的是側向剛度與扭轉剛度的相對關系，直接反映結構抗扭構件布置的合理與否[3]。試算結果對抗震極為不利。經過對計算結果的分析，針對平面超限可能形成的薄弱構件和部位，設計時采取了如下措施：采用兩種不同的空間分析軟件進行對比分析，使兩種計算結果盡量接近。在結構布置時，加大周邊構件的截面，如將南面‘A’軸上的外墻加厚至350mm并且將四周角部墻肢加長，并使正交方向墻肢互為翼緣，使結構質心與剛心的偏心率減小，有效降低附加扭距。外圈連梁的剛度對抗扭效應的發揮也是很關鍵的，所以設計時將外墻周邊窗臺處的連梁改為上翻梁，由原先的300 mm×400 mm改為300 mm×900mm，計算結果表明，極大改善了結構的扭轉性能。由于樓板開大洞，嚴重削弱了樓板傳遞水平力的能力，造成洞口附近梁板應力集中現象，為提高各層樓蓋的承載能力和整體剛度，沿孔洞周邊盡量設置邊梁，增加洞口邊梁側向抗扭鋼筋，抗扭鋼筋的間距控制在100mm范圍，同時增加孔洞周邊連接板的板厚，配筋雙層雙向拉通，以提高該部位的抗震能力，避免由于平面剛度突變出現明顯的結構薄弱部位。加強‘Y’形平面兩個肢與主體連接部位斷面的梁板強度提高其配筋率，并進行局部特定分析，所以2號樓‘Y’形肢連接部位處的各層樓板都加厚為150mm，雙層雙向配筋。加強建筑物外邊梁的強度提高配筋率，加強角部豎向構件及水平構件的抗震承載力。通過上述這些構造加強措施，結構的整體抗震性能有了明顯的改善。同時在總體計算時控制扭轉成份，并盡量減少扭轉影響，兩種計算程序的分析結果顯示，結構在地震作用和風荷載作用下的周期、位移、剪重比等各項指標接近，分析結果可靠，較好地滿足了規范要求。

結語

通過以上論述，我們知道隨著建筑設計及使用功能的日益多樣化，會出現越來越多的平、立面不規則超限高層建筑。對于結構設計師來說分析結構的復雜性和結構形式的特殊性，能運用概念設計對不規則住宅建筑進行結構設計是項巨大的挑戰，結構師必須擁有清晰的結構概念和力學知識。本文主要研究通過一系列計算和抗震加強措施對不規則住宅進行設計。通過工程實例介紹了不規則住宅建筑的計算要點和薄弱部位以及在荷載作用下的受力、變形特征。通過選擇合理的結構體系，減小結構平面的凹凸程度，加強周邊構件的剛度、調整質心與剛心偏心率，來減小結構的扭轉效應。總之，結構設計師針對不規則結構的抗震設計，必須通過可靠的計算，采取有效的構造加強措施對建筑物的薄弱部位和薄弱構件進行加強，增強結構的抗震性能，以此來控制由于平面或豎向不規則對結構產生的抗震不利影響，使不規則住宅的舒適性可以滿足，但是其安全性仍然可以達到國家規范的要求。

[1]建筑抗震設計規范 GB50011-2010北京：中國建筑工業出版社，2001.

[2]呂西林.超限高層建筑工程抗震設計指南-2版 上海：同濟大學出版社，2009.10.

[3]高志建.半島花園9號樓超限高層結構設計.上海建設科技 2005.

[4]高層建筑混凝土結構技術規程 JGJ3-2002.北京：中國建筑工業出版社，2002.