某超限高層剪力墻結構抗震設計

譚雪峰++李磊++李秋嫻

摘 要：某超限高層剪力墻結構屬高度超限、平面扭轉不規則、平面凸凹不規則的超限高層建筑。該文用三個空間分析程序SATWE、PMSAP和MIDAS進行計算，表明結構能達到“小震不壞” “大震不倒”的抗震設防要求。

關鍵詞： 超限高層 剪力墻結構 抗震性能設計

中圖分類號：TU973 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（b）-0054-01

1 工程概況

某規劃高層建筑住宅為全現澆鋼筋混凝土剪力墻結構，建筑層數51層，地下2層，地下二層結構層高為4.5 m，地下一層結構層高為5.0 m；地面首層層高4.0 m，其他以上均為3.0 m層高的住宅，建筑至大屋面高度為154 m。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）判定，該結構為B級高度鋼筋混凝土結構超高層建筑。根據《建筑抗震設防分類標準》（GB50223-2008），本工程的抗震設防類別為標準設防類，結構安全等級為二級，結構設計使用年限為50年。本工程結構超限類型及超限程度屬高度超限、平面扭轉不規則、平面凸凹不規則的超限高層建筑。

2 結構體系設計

本工程抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度為0.05 g，設計地震分組為第一組。地質報告顯示，建筑所處場地土類型為中軟場地土，場地類別為Ⅱ類。

樓面采用全現澆鋼筋混凝土梁板式結構。根據建筑功能要求并結合結構抗側剛度的需要，在建筑物外圍、轉角處，利用電梯井、樓梯間、設備用房等處均勻設置剪力墻，剪力墻底部厚為400 mm，從下向上逐漸減薄到200 mm。樓梯間及電梯井核心筒與周圍豎向構件相連處的樓板厚度采用150 mm，大屋面的樓板厚度為150 mm。上部結構的嵌固端為地下室頂板。主樓地上部分剪力墻、連梁及框架梁抗震等級均為二級，地下室一層抗震等級為二級，地下室二層抗震等級為三級。主樓基礎采用樁筏基礎，筏板厚度h=2.600 m，樁基采用鋼筋混凝土后注漿鉆孔灌注樁，樁徑為1200 mm，樁單樁豎向抗壓承載力特征值Ra=7600kN，樁端進入持力層深度不小于10 m，有效樁長不小于30 m，工程樁樁身混凝土強度等級為C40。本工程為B級高度高層建筑，屬超限高層建筑，確定抗震性能目標為D級。

3 結構抗震性能設計思路

（1）根據多遇地震及風荷載等荷載作用下的彈性計算結果，按現行規范進行結構設計。

（2）利用屈服判別法進行設防烈度地震作用下結構構件的屈服驗算，對結構的損傷程度進行分析。

（3）通過靜力彈塑性方法驗算罕遇地震作用下的彈塑性層間位移角等指標是否滿足規范要求，并對結構的損傷程度進行分析，確定結構薄弱部位，提出結構抗震加強措施。

4 多遇地震作用下的彈性分析

（1）根據高規5.1.12條規定，結構計算采用兩個不同力學模型的三維空間分析軟件進行整體內力位移計算，并進行對比分析。

（2）根據高規5.1.13條規定，抗震設計時，考慮平扭耦聯計算結構的扭轉效應（CQC法），振型數不小于15，且各振型參與質量之和不小于總質量的90%。

（3）考慮雙向水平地震作用下的扭轉效應。

（4）計算單向地震作用下的扭轉位移比（考慮偶然偏心的影響）。

（5）各種計算均考慮施工過程的模擬。

（6） SATWE/PMSAP/Midas彈性計算對比如下：

a.SATWE前三周期分別為3.95、3.84、3.11，PMSAP前三周期分別為4.10、3.94、3.27，PMSAP前三周期分別為4.13、4.04、3.41；

b.SATWE最大層間位移角1/1211 （X向地震）、1/1303 （Y向地震）、1/2442 （X向風）、1/2519 （Y向風）；PMSAP最大層間位移角 1/1194 （X向地震）、1/1241 （Y向地震）、1/2526 （X向風）、1/2633 （Y向風）；

c. 三種計算位移比分別為1.37、1.35、1.34；有效質量系數分別為98.1%、98.4%、98.3%。

5 中震彈性及中震不屈服驗算

在設防烈度地震（中震）作用下，關鍵構件（底部加強區的核心筒、底部加強區外圍的剪力墻）豎向構件的正截面承載力和受剪承載力均符合規定；關鍵構件均滿足中震不屈服的要求。部分樓層的框架梁、連梁出現較輕微的抗彎屈服，進入屈服階段，但其受剪承載力未出現明顯退化，屬于局部延性損壞，經一般修理可繼續使用。結構在設防烈度地震（中震）作用下能達到預期的性能目標。

6 大震作用下彈塑性分析

采用MIDAS/Gen進行大震作用下的結構靜力彈塑性分析（Pushover分析），在MIDAS/Gen中使用ATC-40（1996）和FEMA-273（1997）提供的能力譜法來對建筑物的抗震性能進行評價。

在本工程的Pushover分析中，選擇三種類型的水平荷載分布模式，即模態分布模式、加速度常量分布模式和風荷載工況倒三角分布模式。考慮到結構布置及荷載分布的非對稱性，每種荷載分別按X、Y兩個主方向加載。Pushover分析完成后，由結構塑性鉸的分布，判斷結構薄弱位置，根據塑性鉸所處的狀態，檢驗結構構件是否滿足大震作用下性能水準的要求。

分析各個工況的能力譜曲線有以下特點：

（1）在設定目標范圍內，各荷載工況下得到的能力曲線均平滑上升，未出現陡降段或突變段。各能力譜大震需求譜均有交點。

（2）結構在X方向和Y方向的結構剛度和強度較為一致。

（3）模態分布加載模式更不利，而加速度常量加載模式過于保守。同時這也說明了推覆分析的結果在很大程度上依賴于水平荷載分布模式，選擇多種加載模式并相互校驗有利于對結構抗震性能的更好掌握。

7 結語

本工程為B級高度鋼筋混凝土高層建筑，針對本工程采用了抗震性能設計方法，確定抗震性能目標為D級。

（1）用三個空間分析程序SATWE、PMSAP和MIDAS進行計算，施工圖設計時取三個程序計算得到的不利結果進行結構構件的設計。

（2）根據靜力彈塑性的分析結果，對結構中塑性狀態程度較深的框架梁，將考慮適當加大截面、提高配筋率，以提高其承載力，防止這些部位發生較大的破壞。

（3）本工程能達到“小震不壞”“大震不倒”的抗震設防要求。

（4）通過合理的結構設計和采取適當的抗震加強措施，本工程能達到預期的性能目標。endprint