湖南某公寓結構設計

摘 要：文章介紹了湖南某公寓結構設計。該工程施工平面狹長，采用以下技術措施控制扭轉：偏心調整質量和剛度中心；通過增加外圍連梁高度以提高結構的抗扭剛度；適當削弱結構的抗側剛度。有些剪力墻連梁采用雙連梁設計解決超筋問題。此外，描述了結構體系認定，抗震加固措施等關鍵問題。

關鍵詞：超高層建筑；框-剪體系；扭轉控制；雙連梁

1工程概況

湖南某建筑由多棟高層及超高層公寓組成。其中公寓 C棟 為 139.5m 高、地上 42 層的公寓，結構體系為框架-剪力墻，為B級高度超限高層建筑。公寓、裙房及大地下室車庫部分地下3層，公寓建筑與裙房在地面以上設置防震縫，形成相互獨立的抗震結構單元，所有單體在首層及地下層連為整體。工程結構設計采用的設計基準期為50年，設計使用年限為50年。建筑結構安全等級為二級，地基基礎設計等級為甲級。

2結構選型

2.1地基基礎

建筑基礎為樁筏基礎，采用直徑800mm的鉆孔灌注樁，樁基持力層選用層⑨2（圓礫層）。樁長38m，樁身混凝土強度等級 C40，采用樁端后注漿技術，注漿后樁承載力提高25%～30%，單樁抗壓承載力特征值5050kN，控制地基土的承載力接近樁身混凝土的強度。建筑下基礎底板厚度2.7m，樁基計算最大沉降量130mm。裙房部分基礎為鉆孔灌注樁 + 獨立承臺基礎，獨立承臺1300mm厚，承臺間設900×1300的基礎梁，裙房底板800mm厚。地下室面積較大，平面尺寸約180m×200m。采取如下措施避免溫度裂縫： 按規范要求設置沉降后澆帶、溫度后澆帶； 整個地下室均采用補償收縮混凝土； 施工過程中采取有效的施工養護措施；地下室各層樓板考慮溫度應力并計算配筋等。

2.2結構體系

結構布置上均利用建筑物每個單元的樓梯電梯井道布置剪力墻，在其他位置布置框架柱，共同形成鋼筋混凝土框架-剪力墻結構體系。剪力墻為主要的抗側力構件，框架梁柱則組成了第二道抗側力防線。建筑結構高度139. 5m，超過框-剪體系A級高度最大適用高度130m，在B級高度160m的限值以內，屬于B級高度超限高層。建筑的兩端加設剪力墻，可改善結構的抗扭轉性能，同時加強結構的側向剛度。

C棟建筑主要墻體截面在公寓標準層處為250～350mm厚，首層～層6樓面因層高較高，剛度相對較弱，墻體厚度適當加厚為350～500mm?？蚣苤S高度增加截面逐漸減小。樓板厚度屋面采用120mm，公寓標準層110mm（局部大開間適當加厚，剪力墻芯筒內為140mm），裙房層為120厚。首層樓板200厚，以滿足嵌固層的構造要求。

核心筒周邊剪力墻墻厚從下到上為500mm～300mm，筒內剪力墻厚度為400mm、200mm。建筑C棟的墻柱在地上層6樓面以下采用 C60級混凝土； 在層6樓面～層36樓面間采用 C50級混凝土；在層36以上采用 C40級混凝土。梁板采用 C35級混凝土。

3結構計算分析

3.1反應譜分析

基本風壓=0.50kN/m2（100年一遇），地面粗糙度為B類?？拐鹪O防烈度6度，建筑抗震設防類別為丙類，設計基本地震加速度值為0.05g，場地類別為 III 類，場地特征周期值=0.45s，設計地震分組為第一組。結構阻尼比取0.05?？蚣芗凹袅Φ目拐鸬燃壘鶠槎?。

結構分析采用 SATWE 和 ETABS 兩種不同力學模型的三維空間分析軟件進行整體計算。采用彈性方法計算結構在荷載和多遇地震作用下內力和位移，并考慮平扭耦連和效應，表1是建筑的主要分析結果。結構前3階振型見圖1，結構前兩階振型分別為沿X和沿Y方向的平動，第3階振型為扭轉振型，結構第1扭轉周期與第1平動周期之比=0.75<0.85，滿足規范要求。結構在多遇地震作用下的各樓層剪力曲線基本光滑。樓層側向剛度變化滿足“各層側向剛度大于相鄰上一層樓層側向剛度的70% 與相鄰三層側向剛度的80% 的較小者”，無明顯結構薄弱層。

圖 1 結構前 3 階振型

結構 X 向在地震作用下的位移大于風荷載作用下的位移，地震作用最大層間位移角為1/1705；Y 向風荷載作用下的位移大于地震作用下的位移，風荷載作用下最大層間位移角為1/1017。結構在地震荷載、風荷載作用下，結構層間位移角均滿足規范1/800要求。

考慮±5%偶然偏心的結構最大層間位移（或最大水平位移）與平均層間位移（或平均位移）之比最大值為1.34，超過1.2但小于1.4。結構分析時考慮效應，結構頂部風荷載作用下舒適度滿足規范要求。

3.2彈性時程分析

工程彈性動力時程分析時采用 SATWE 程序內置的設計特征周期值為0.45s 的人工地震波RH1TG045和實測地震波 TH2TG045、TH3TG045進行結構分析。地震波按照雙向輸入，其加速度最大值按1（主方向）：0.85（次方向）的比例調整。彈性時程計算結果與振型分解反應譜法計算結果對比見表2，從表2可知： 三條地震波計算下，建筑底部剪力均大于 CQC 法的65%，底部剪力平均值大于CQC 法的80% ，滿足規范要求，彈性時程計算結果與振型分解反應譜法計算結果基本一致。

4結構設計關鍵問題

4.1結構體系的認定

建筑平面上布置三個由電梯、樓梯間組成的豎向交通單元，結構上利用豎向交通單元設置剪力墻，從平面上看結構體系很像框架-核心筒體系，但仔細分析結構的受力機理后將本工程定性為框-剪體系。框架-核心筒結構與框-剪結構最大區別是：框架-核心筒結構的筒體在水平力作用下必須保證空間整體截面工作，即筒體截面基本上是符合平截面變化規律； 框-剪結構的剪力墻雖然協同工作，但由于墻體較為分散，多數情況下不是平截面變化的。

《高規》針對框架-核心筒的特點提出： 框架-核心筒的設計在計算和設計上除了按框-剪結構要求外，核心筒宜貫通建筑物全高，寬度不宜小于筒體總高的1/12，應有良好的整體性，墻肢宜均勻、對稱布置，筒體角部附近不宜開洞，當不可避免時，筒角內壁至洞口的距離不應小于500mm和開洞墻的截面厚度等。

根據《高規》中的條文及其條文理解，若剪力墻墻體開洞多、墻肢距離大或連梁較弱而導致混凝土筒體在水平力作用下失去平截面整體工作性能時，不符合框架-核心筒的本質特征，應按剪力墻集中在平面中部的框-剪結構考慮。對于本工程，從SATWE 給出的結構空間振動圖和含剪力墻構件主要剖面振動圖上判斷，核心筒在 Y 向荷載作用下符合按平截面假定進行空間整體運動的特點； 在 X 向水平荷載作用下，3個距離較遠的獨立筒體變形差異非常明顯，類似剪力墻分散布置的框-剪體系的變形特征，無法像框架-核心筒體系中的核心筒結構那樣做為一個整體共同變形和抵抗水平荷載，不符合筒體結構空間整體受力的特點。因此，根據結構在 X 向水平荷載作用下的力學性能判定該結構體系為框架-剪力墻結構。

4.2抗震加強措施

建筑存在結構高度超限（B 級高度）以及一項規則性超限（扭轉位移比），針對結構超限設計中采取了以下措施：

（1）建立雙重抗震防線。剪力墻的連梁、剪力墻墻肢為抗震第一道防線，框架為第二道防線，框架承擔的地震剪力應嚴格按照規范要求進行調整；

（2）按規范B級高度設定結構構件設計的抗震等級，框架和剪力墻和抗震等級均為二級。剪力墻應按規范要求設置約束邊緣構件和構造邊緣構件；

（3）針對建筑層高的變化調整結構抗側剛度，調整建筑中剪力墻的墻厚和混凝土強度等級，并在墻體中設置調整剛度所需要的結構洞，以使結構剛度盡量均勻，避免出現薄弱層。

（4）框-剪體系中剪力墻的設計借鑒規范框架-核心筒體系的設計要求予以加強，即剪力墻筒體的角部除了底部加強區以外，底部加強區以上高度軸壓比大于0.4的高度范圍內設置約束邊緣構件；

（5）各特別是樓面大梁擱置在連梁或樓梯間較薄墻體上時，相應樓層處墻中設置暗梁。剪力墻芯筒內樓板電算時按彈性樓板分析，加厚為140mm并采用雙層配筋。加強頂部2～3層及屋面突出物中豎向構件的配筋量，屋面板加厚至120mm，并配置雙層雙向鋼筋。

4.3結構嵌固的處理

工程地面以上有多棟建筑，為了避免形成多塔結構，嵌固層設在±0.000層。同時，按照國家、當地規范以及抗震超限審查專家組的要求，地下層1剪切剛度大于首層剪切剛度的2倍。設計中將建筑區域地下室部分墻體截面加厚為800mm。為了確保能夠在該樓層提供足夠的水平約束，對±0.000層樓板作了全面加厚處理，樓板均采用200厚現澆混凝土樓板，混凝土強度等級 C35，采用雙層雙向配筋，保證配筋率不小于為0.3%，對樓板開洞處四周另作特別加強。建筑地下層1的抗震等級按底部加強區的等級采用，地下室柱截面縱向鋼筋面積除應滿足計算要求外，不少于地上層1相應縱向鋼筋面積的1.1倍。4.4結構扭轉的控制

《高規》主要通過位移比和周期比來控制結構扭轉反應，對于B級高度的建筑，結構每個樓層的最大位移和最大層間位移與該樓層平均位移和平均層間位移的比值不宜大于1.2不應大于1.4；結構以扭轉為主的第1周期與以平動為主的第1周期之比不應大于0.85。本工程由于建筑平面狹長，長寬比3.7，結構本身的抗扭剛度較小，上述指標較難控制。產生扭轉主要因為質量中心與剛度中心偏差太大或結構的抗扭剛度相對較小這兩個原因，因此在本工程結構設計中的控制扭轉的措施也基本以減小剛度中心的偏心率、調整結構的抗扭剛度和抗側剛度這兩點為基本原則。

對于質心與剛心偏差的控制，工程結構設計在抗側力構件的布置中，遵循均勻、分散、對稱、周邊的原則，合理布置結構的抗側力構件，控制抗側力構件的剛度，以控制剛心和質心的偏差。

對于結構抗扭剛度相對較小，是指抗扭剛度與結構的抗側剛度相比較而言，有時結構的抗側剛度過大，即使結構具有一定的抗扭剛度，也會出現周期比不符合規范要求的現象。工程采取的主要技術措施主要有兩大類： 一方面是提高結構的抗扭剛度，主要方法是在建筑物外圍盡可能布置抗側力結構，加大結構周邊抗側力構件的剛度，加大周邊框架梁的截面，兼顧到建筑立面要求和采光要求，利用周邊窗臺位置將連梁上翻以加高周邊部位的連梁； 另一方面，在結構水平位移和層間位移角滿足規范要求的前提下，適當減少結構中部剪力墻的布置，適當減小結構的抗側剛度，從而加大結構的平動振型的周期，周期比也得以減小。通過兩個方法的綜合運用，在水平位移滿足規范要求的前提下，最終取得了一個較好的抗扭剛度和抗側剛度的適當比例。

4.5超短梁的處理

建筑平面某些位置結構柱和剪力墻之間距離很近（圖2），在豎向荷載作用下柱軸壓比較大，豎向變形較大，而剪力墻軸壓比較小，連接柱和剪力墻的混凝土梁跨度很小而梁兩端豎向變形差異較大，在恒活載作用下產生了較大的內力； 同時，在地震荷載和風荷載作用下此處混凝土梁剛度較大，相應的彎矩和剪力均很大，因此此處混凝土梁超筋現象極為嚴重。設計中按弱連梁的原則來處理解決這種超筋現象。

圖 2 超短梁的處理

適當增大此處混凝土梁的跨高比，在程序中指定為連梁，進行連梁剛度折減，并將部分梁設計為雙連梁（即設置水平縫，見圖3，4），從而減小梁的剛度和內力，降低其實際的彎矩和剪力設計值。一個截面高度為 h 的梁變為兩根截面高度為 h/2的梁，其抗彎剛度變為1/4，梁端單位轉角引起的彎矩和剪力也變為1/4，連梁內力迅速減小，但截面抗剪承載力基本不變。按照這種方案處理的連梁受力性能較好，一定程度上避免了連梁超筋的問題，容易實現彎曲破壞，提高結構延性和耗能能力。在 SATWE 程序中，根據模型連梁與實際連梁抗彎剛度和抗剪剛度相等的原則，采用雙倍厚度框架梁模擬雙連梁，即在擬設置雙連梁的位置設置雙倍墻厚、單肢連梁高度的框架梁，計算得出的連梁配筋值根據設置的連梁數量平均分攤到各連梁進行配筋。連梁跨度很小，框中所受的豎向荷載也很小，理論上采用該模型與實際受力情況應是一致的。極個別連梁采用雙連梁的方式后仍然出現抗剪超筋，在這些雙連梁中加設鋼骨（圖5），采用型鋼混凝土梁的設計要求進行復核設計。

圖 3 連梁設為雙連梁

圖 4 雙連梁的簡化模型

圖 5 型鋼混凝土連梁

和超短連梁相連的柱要按剪力墻暗柱的要求進行復核設計，如軸壓比、配筋等均需滿足剪力墻暗柱的構造要求。

5 結論

綜上所述，選擇合理的結構體系、設定合理的抗震加強措施、對結構的關鍵問題進行細致分析研究，可以保證超限高層的安全可行、經濟合理。結構體系的認定應結合結構的受力機理進行分析才能得到準確的結果。通過調整質量中心與剛度中心的偏心率，加大結構周邊抗側力構件的剛度同時適當減少結構中部抗側力構件的剛度，可以有效控制結構的扭轉反應。增大連梁跨高比并設置雙連梁可降低連梁剛度，提高結構延性和耗能能力，解決短連梁超筋問題。

參考文獻

[1]JGJ 3-2010高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京： 中國建筑工業出版社，2011.

[2]徐培福，傅學怡，王翠坤，等.復雜高層建筑結構設計[M].北京： 中國建筑工業出版社，2005.

[3]楊曉明，張大權. 對框架與剪力墻協同工作結構體系的界定與設計建議[J]. 建筑技術開發. 2008（03）