某項目A區超高層剪力墻結構的分析設計

來武清，包洪余，楊越

（中機中聯工程有限公司，重慶 400039）

1 工程概況

重慶融創·凱旋路項目A區包含3棟（1#、2#和3#樓）超高層住宅建筑，結構形式為剪力墻結構。從嵌固端算起的結構高度，1#樓為181.90m；2#、3#樓為182.50m，結構高度均超過B級高度限制。

結構存在扭轉不規則、凸凹不規則、樓板局部不連續等3項不規則。單體的典型結構平面如圖1所示。結構底部存在兩層通高的抗震不利因素。

圖1 結構平面布置圖

該工程的抗震性能設計目標為D級[1,3]。

針對工程的超限情況和性能目標的要求，對結構進行了小震、中震、大震下的詳細分析和其他針對性的補充分析驗算。以1#樓為例，對分析計算結果進行介紹。

2 結構的小震彈性反應譜對比分析

在小震彈性反應譜分析時，采用satwe和midas building兩款軟件對結構的常規參數（質量、周期、陣型、剛度比、抗剪承載力之比、作用力、位移、位移比、剪重比、整體穩定、軸壓比、舒適度）進行了詳細的對比分析，主要對比結果如表1所示。

表1 小震彈性反應譜指標對比

兩款軟件計算的小震反應譜結果吻合良好，驗證了模型的正確性和合理性。

3 小震彈性時程分析

該工程進行了地震安全性評估，《安評》建議的地震動參數比規范[1-2]的地震動參數大，故分析設計時采用《安評》建議的地震動參數。根據規范[1-2]的選波原則選取兩條人工波（rgb1、rgb2）和5條天波（Usa00361、Usa00683 Usa00684、Usa00707、Usa00867）進行時程分析。地震波的地震影響系數與《安評》反應譜的地震影響系數對比如圖2所示。

圖2 地震波與《安評》反應譜地震影響系數比較

在前三階周期點上的地震影響系數比較如表2所示。

表2 主要周期點上地震影響系數比較

由表2可知，多條地震波的平均地震影響系數和安評反應譜地震影響系數在統計意義上相符。

各條波計算的底層剪力與CQC法計算的底層剪力對比如表3所示。

表3 小震彈性時程底層剪力與CQC法底層剪力的比較（kN）

可見，每條地震波計算的底部剪力與振型分解反應譜法計算結果之間的誤差均在35%以內，7條波計算的平均底部剪力與振型分解反應譜法計算結果之間的誤差在20%以內。驗證了所選地震波的有效性和結構模型的合理性。取7條波彈性時程計算的平均值與反應譜法的較大值進行強度設計。

4 大震彈塑性動力時程分析

采用SAUSAGE軟件，選取了2條天然波（USA00707、USA00683）和1條人工波（rgb1）對結構進行了彈塑性動力時程分析。

結構的底層剪力時程曲線如圖3。

圖3 結構底層剪力時程曲線

大震彈塑性計算的基底剪力如表4。

可見，大震彈塑性動力時程計算的基底剪力比大震彈性反應譜計算的基底剪力小。說明結構在大震彈塑性動力時程分析時發生了塑性損傷，結構剛度減小，故地震作用剪力減小。

頂點位移和最大層間位移角如表5所示。

可見，各條波的大震動力彈塑性時程分析的層間位移角均滿足規范的彈塑性層間位移角限值（1/100）的要求。

計算發現，在大震地震波作用下結構的2F和3F層間位移角明顯偏大，如圖4所示。原因在于1F～3F兩層通高，造成此兩層在大震下的反應較大。對此，在穿層剪力墻的邊緣構件中增加型鋼，以提高其變形能力和抗震性能。加型鋼前后的大震動力彈塑性時程分析層間位移角對比如圖4所示。

表4 大震彈塑性時程最大基底剪力對比

表5 大震彈塑性時程頂點位移及最大層間位移角

圖4 樓層最大層間位移角曲線

結構底部穿層墻加型鋼后，底部樓層（2F和3F）層間位移角明顯偏大的現象得到改善，且薄弱樓層沒有轉移，層間位移角沿樓層分布均勻。

框架的損傷分布和剪力墻的損傷分布如圖5和圖6所示。

圖5 框架損傷分布

圖6 剪力墻損傷分布

可見，結構的損傷主要集中在左上和右上角的剪力墻。采取提高其配筋率和配箍率的措施進行加強。

5 穿層墻肢的補充分析

性能設計時對穿層墻提出了中震彈性、大震不屈服的抗震性能目標。1#樓的穿層墻編號如圖7所示。

圖7 1#樓穿層墻編號

用墻肢實際配筋分別計算墻肢截面彈性和不屈服的N-M（軸力-彎矩）相關曲線。分別將等效彈性法計算的中震、大震下的墻肢的各荷載工況組合下的（M,N）點繪于墻肢的N-M相關曲線的圖上，如圖8和圖9所示。

圖8 Q1穿層墻N-M相關曲線及內力點

由圖8可知，位于結構下部左右兩側的Q1在大震下的墻肢出現較大拉力，通過增加型鋼（延伸埋入基礎內）的方式來抗拔。增加型鋼之前大震內力點處于N-M相關曲線外，增加型鋼后大震內力點處于N-M相關曲線內?？梢娡ㄟ^增加型鋼抗拔的措施后，Q1能滿足中震彈性大震不屈服的性能目標。

圖9 Q2～Q10穿層墻N-M相關曲線及內力點

由圖9可知，Q2～Q10穿層墻的中震下各工況組合內力點均落在彈性N-M相關曲線內，大震內力點均落在不屈服N-M相關曲線內。表明穿層墻在中震作用下處于彈性狀態，在大震作用下處于不屈服狀態。穿層墻能滿足中震彈性、大震不屈服的性能目標。

表6 穿層墻肢穩定性驗算表

此外，穿層墻肢兩層通高高度為8m，按照《高規》附錄D進行穿層墻肢的穩定性驗算，如表6所示。

可見，穿層墻均能滿足大震下的墻肢穩定性要求。

6 超限措施

按照概念設計和性能設計[3-4]的思路和原則，結合以上分析結果，對結構構件從如下幾個方面進行加強。

（1）對穿層墻，通過增設型鋼、增大邊緣構件縱筋和箍筋、增大墻身分布筋配筋率、控制軸壓比的方式提高其抗震性能。

（2）對于大震下受拉的墻肢（Q1），增設型鋼，將型鋼延伸埋入基礎內，以抵抗墻肢的拉力，同時增大縱筋、箍筋和分布筋的配置。

（3）對損傷集中的左上和右上角的剪力墻，采取提高其邊緣構件縱筋率和配箍率、墻身分布筋配筋率的措施進行加強。

（4）對于連梁，通過配置對角斜向鋼筋、提高縱筋率和箍筋率的方式提高抗剪能力和耗能能力。

（5）對于應力集中的樓板區域，采取加大板厚、配筋雙層雙向加大的方式進行加強。

（6）其他有針對性的加強措施。

7 結論

該工程1#、2#（3#）塔樓為超B級高度剪力墻結構，底部兩層通高，且存在扭轉不規則、凸凹不規則、樓板局部不連續3項不規則。對結構進行了概念設計和抗震性能化設計。采用多種計算程序對結構進行了小、中、大震下的詳細分析和其他有針對性的補充分析。并根據計算結果對結構構件提出了有針對性的超限措施。

綜上所述，結構設計合理有效，并且安全可行。

[1]JGJ3-2010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，2010.

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

[3]朱炳寅.高層建筑混凝土結構技術規程運用于分析JGJ3-2010[M].北京：中國建筑工業出版社，2013.

[4]徐培福.復雜高層建筑結構設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2005.