某超B級高度剪力墻結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計

鄭智輝

(廈門新區(qū)建筑設(shè)計院有限公司 福建廈門 361012)

某超B級高度剪力墻結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計

鄭智輝

(廈門新區(qū)建筑設(shè)計院有限公司 福建廈門 361012)

廈門泰禾·首璽B2#樓地上59層，結(jié)構(gòu)高度172.95m，結(jié)構(gòu)體系為剪力墻結(jié)構(gòu)，屬于超B級高度的超限高層建筑。采用YJK和MIDAS兩種軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震彈性分析，并依據(jù)MIDAS大震動力彈塑性分析結(jié)果，對結(jié)構(gòu)各重要部位進(jìn)行加強(qiáng)。歸納總結(jié)針對該工程高度超限、平面不規(guī)則、樓板不連續(xù)等復(fù)雜性所采取的設(shè)計措施。

超B級高度;剪力墻結(jié)構(gòu);平面不規(guī)則;動力彈塑性分析

1 工程概況

廈門泰禾·首璽B2#樓住宅位于廈門海滄區(qū)，樓高共59層，頂部14層為復(fù)式戶型，一層層高5.35m，其余層高2.9m，房屋高度為172.95m，場地內(nèi)設(shè)兩層地下室，層高均為3.9m。建筑平面尺寸為34.8m× 21.3m。主要結(jié)構(gòu)平面圖及立剖面如圖 1～圖3所示。

工程設(shè)計使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為7度(0.15g)，設(shè)計地震分組為第二組，場地特征周期與αmax根據(jù)安評報告取值，其中小震下分別為0.5s及0.126。50年一遇的基本風(fēng)壓為0.8kN/m2，地面粗糙度類別為B類。

該工程存在高度超限(超B級)、平面不規(guī)則、豎向構(gòu)件收進(jìn)等不規(guī)則項(xiàng)，結(jié)構(gòu)高寬比大，但由于是純住宅項(xiàng)目，隔墻較多，受限于建筑平面布置，因此采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。建筑高度超B級是該項(xiàng)目的主要設(shè)計要點(diǎn)。

超B級高度的剪力墻結(jié)構(gòu)由于其高度較高，應(yīng)采取比規(guī)范規(guī)定更嚴(yán)格的計算和構(gòu)造措施。本文以廈門泰禾·首璽B2#樓為例，介紹了超B級高度剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置:剪力墻混凝土強(qiáng)度為C60～C30，主要抗側(cè)力剪力墻厚為300mm～500mm，頂部14層為復(fù)式戶型，標(biāo)準(zhǔn)層局部柱墻到復(fù)式樓層后取消。考慮到純剪結(jié)構(gòu)高度超高，在外圈剪力墻端部設(shè)置較大端柱(1 000mm×1 800mm等)以控制結(jié)構(gòu)變形，并根據(jù)計算結(jié)果加設(shè)型鋼(十字型，壁厚16mm～30mm)。外圈梁主要為550mm高，局部外圈梁(南北側(cè)X向)為1 000mm高;主要的耗能連梁及框架梁高度為500mm，如表1所示。

圖2 復(fù)式上層平面圖

圖3 立面及剖面圖

表1 主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置 mm

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵問題

(1)高度超限

房屋高度為172.95m，超過剪力墻結(jié)構(gòu)B級高度150m限值，結(jié)構(gòu)高寬比較大，外圈豎向構(gòu)件偏心受拉情況明顯。

(2)平面不規(guī)則

結(jié)構(gòu)平面凸出尺寸38%，偏心率最大為0.34。

(3)局部樓板不連續(xù)

結(jié)構(gòu)頂部14層為雙層復(fù)式戶型，其中復(fù)式上層樓板開洞率約為41%，不符合剛性樓板假定。

(4)豎向構(gòu)件收進(jìn)

復(fù)式與平層戶型變化處(46F)結(jié)構(gòu)外圍豎向構(gòu)件收進(jìn)約7.5%，且部分剪力墻取消，剛度形成突變。

3 結(jié)構(gòu)計算分析

彈性計算采用YJK和MIDAS/Building作為主要計算分析軟件，并進(jìn)行多遇地震彈性時程分析的補(bǔ)充計算及中震下的構(gòu)件性能設(shè)計;另外，采用Building進(jìn)行動力彈塑性分析，計算結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的變形反應(yīng)。

3.1 性能設(shè)計

按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》［1］的要求，綜合考慮場地條件、結(jié)構(gòu)的特殊性、建造費(fèi)用等各項(xiàng)因素，經(jīng)過超限專項(xiàng)審查，提出結(jié)構(gòu)性能設(shè)計要求如表2所示。

3.2 結(jié)構(gòu)分析的主要設(shè)計結(jié)果

3.2.1 小震CQC彈性分析

小震CQC彈性分析主要計算結(jié)果如表3所示。由表3可知，兩種軟件計算結(jié)果比較吻合，周期、位移、剪重比等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

表2 結(jié)構(gòu)的性能設(shè)計

表3 結(jié)構(gòu)分析主要指標(biāo)對比

層間位移角各樓層總體變化均勻。其中，X向?qū)娱g位移角在豎向構(gòu)件收進(jìn)樓層處變化較大，在該樓層處Y向略有變化如圖4所示。

圖4 樓層剛度比值

各樓層剛度比及抗剪承載力比值總體變化均勻，均滿足規(guī)范要求。主要在底部層高變化較大的樓層及豎向構(gòu)件收進(jìn)樓層有所突變，設(shè)計中對以上部位進(jìn)行加強(qiáng)，如圖5所示。

圖5 樓層抗剪承載力比值

3.2.2 小震彈性時程分析

設(shè)計采用YJK程序進(jìn)行多遇地震彈性時程分析，根據(jù)工程特點(diǎn)選用7條地震波，并與規(guī)范反應(yīng)譜分別進(jìn)行了對比。各條地震波譜與規(guī)范譜的對比曲線，如圖6所示。

圖6 規(guī)范譜與地震波反應(yīng)譜對比圖

時程分析樓層剪力平均值X向在頂部6層略大于CQC法剪力，Y向在頂部4層略大于CQC法剪力，放大系數(shù)約為1.03;層間位移角平均值均小于CQC法層間位移角。

3.2.3 風(fēng)振舒適度驗(yàn)算

為確保高層建筑內(nèi)使用者舒適，房屋高度不小于150m的建筑結(jié)構(gòu)需滿足風(fēng)振舒適度要求。順風(fēng)向及橫風(fēng)向風(fēng)振加速度按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》附錄J計算，結(jié)果均滿足規(guī)范要求。計算結(jié)果表明，對于本工程這類超高層建筑而言，橫風(fēng)向振動問題較為突出，與順風(fēng)向一樣應(yīng)該在結(jié)構(gòu)設(shè)計中予以重視。

3.2.4 中震下構(gòu)件性能設(shè)計

在評估結(jié)構(gòu)及構(gòu)件對應(yīng)于中震的性能目標(biāo)時，仍然采用規(guī)范提供的振型分解反應(yīng)譜法，作用效應(yīng)及結(jié)構(gòu)抗力均采用標(biāo)準(zhǔn)值。

底部加強(qiáng)部位豎向構(gòu)件按“中震抗剪彈性、抗彎不屈服”復(fù)核，后續(xù)設(shè)計中通過提高剪力墻豎向分布筋配筋率、增設(shè)型鋼等方式以滿足該性能目標(biāo)要求。

該工程剪力墻各角部在中震下受拉情況較為嚴(yán)重，因此在平面周圈剪力墻端部均設(shè)置大端柱，增大混凝土截面;并在柱內(nèi)布置型鋼，控制含鋼率≥4.0%，布置型鋼的端柱主要位于結(jié)構(gòu)下部樓層及豎向構(gòu)件收進(jìn)的樓層位置。

3.2.5 大震動力彈塑性分析

在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出非線性行為并引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力重新分布，該工程采用Building軟件進(jìn)行罕遇地震作用下彈塑性時程分析。彈塑性分析過程中考慮幾何非線性和材料非線性［2］。

該項(xiàng)目采用兩組天然波和一組人工波，經(jīng)峰值調(diào)整后作為該項(xiàng)目大震分析的時程波。結(jié)構(gòu)在地震作用主方向Y向的最大層間位移角分別為1/150、1/167、1/176，均小于規(guī)范規(guī)定的1/120限值，如圖7所示。

圖7 最大層間位移角

從構(gòu)件塑性變形與塑性變形限值的大小關(guān)系來對結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估，針對剪力墻破壞順序及程度，考慮從概念上對結(jié)構(gòu)薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)。

由7軸處計算結(jié)果可見，剪力墻在 6.6s時 7層～15層連梁開始出現(xiàn)損傷，此時大部分剪力墻尚未屈服，僅在豎向構(gòu)件收進(jìn)的下層(42層～45層)出現(xiàn)塑性發(fā)展;13.8s時，B軸～C軸間短肢墻及連梁塑性發(fā)展嚴(yán)重，J軸位置9層～20層開始塑性損傷，豎向構(gòu)件收進(jìn)下層剪力墻塑性持續(xù)發(fā)展;地震波加載結(jié)束即18.8s時，B軸～C軸間短肢墻及連梁在幾乎全高的范圍以及G軸～J軸位置在8層～37層塑性發(fā)展情況嚴(yán)重。

綜合分析各部位塑性發(fā)展過程可以發(fā)現(xiàn):

(1)剪力墻受剪損傷首先發(fā)生在連梁及短肢墻位置，隨后逐步發(fā)展;Y向墻肢端部在1層～6層塑性發(fā)展情況較上面幾層良好，究其因，是該位置端柱內(nèi)設(shè)置型鋼，有效地控制了剪力墻的變形。

(2)豎向構(gòu)件收進(jìn)部位，該位置塑性發(fā)展情況嚴(yán)重，在后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中適當(dāng)加強(qiáng)。

(3)X向底部墻體較Y向墻體破壞嚴(yán)重，主要原因有:結(jié)構(gòu)X向由地震作用控制，Y向由風(fēng)荷載控制; E軸處X向連續(xù)墻長7.5m，剛度較大;X向墻體尚未考慮性能化設(shè)計，Y向墻體已考慮型鋼的有利作用。

針對剪力墻損壞較明顯的部位，采取對應(yīng)的加強(qiáng)措施后重新進(jìn)行彈塑性時程分析，主要措施有:提高底部加強(qiáng)區(qū)豎向構(gòu)件抗震等級和配筋率，并按中震性能設(shè)計結(jié)果(正截面不屈服，斜截面彈性)進(jìn)行配筋;提高過渡層剪力墻及下部樓層短肢墻配筋率;提高豎向構(gòu)件收進(jìn)上下樓層抗震等級及配筋率;E軸處7.5m長X向剪力墻中間開洞，適當(dāng)削弱剛度。采取以上措施加強(qiáng)后，底部加強(qiáng)部位、短肢墻及豎向構(gòu)件收進(jìn)部位等的損傷情況均得到有效改善，如圖8所示。

圖8 (7)軸剪力墻采取加強(qiáng)措施前(a圖)后(b圖)結(jié)果對比

該工程通過控制剪力墻截面在大震下受剪滿足截面控制條件來防止構(gòu)件發(fā)生脆性破壞，即按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》式3.11.3－4進(jìn)行驗(yàn)算，表明采用的結(jié)構(gòu)體系能滿足大震下結(jié)構(gòu)不倒塌的要求。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計措施

該工程存在高度超限(超B級)、平面不規(guī)則、樓板不連續(xù)、豎向構(gòu)件收進(jìn)等不規(guī)則情況，根據(jù)前述計算分析，針對該工程的薄弱環(huán)節(jié)采取適當(dāng)措施。

4.1 高度超限

(1)底部加強(qiáng)區(qū)豎向構(gòu)件抗震等級按特一級，主要剪力墻端柱設(shè)置型鋼，控制含鋼率≥4.0%，按中震下“正截面不屈服，斜截面彈性”復(fù)核，并根據(jù)大震彈塑性分析結(jié)果加強(qiáng);

(2)底部加強(qiáng)部位以上軸壓比大于0.25的剪力墻墻肢(1層～19層)設(shè)置約束邊緣構(gòu)件;

(3)中震工況下出現(xiàn)小偏心受拉的豎向構(gòu)件按特一級構(gòu)造，拉應(yīng)力大于混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值時應(yīng)設(shè)置型鋼(主要是結(jié)構(gòu)周圈剪力墻);

(4)提高短肢剪力墻配筋率。

豎向構(gòu)件加強(qiáng)示意圖如圖9所示。

圖9 豎向構(gòu)件加強(qiáng)示意圖

4.2 平面不規(guī)則

加強(qiáng)建筑外圈構(gòu)件剛度，如周圈剪力墻設(shè)置大端柱(1 000mm×1 000mm～1 000mm×1 800mm)，南北兩側(cè)梁高控制不小于1 000mm，以此控制扭轉(zhuǎn)位移比≤1.20。

4.3 局部樓板不連續(xù)

針對樓板不連續(xù)的樓層，結(jié)構(gòu)計算時考慮樓板面內(nèi)變形的影響。標(biāo)準(zhǔn)層樓板有效寬度較小處，周邊盡量加設(shè)剪力墻滿足水平力的傳遞，加強(qiáng)樓板厚度及配筋率。復(fù)式樓層穿層墻按兩層層高的計算模型復(fù)核強(qiáng)度及穩(wěn)定性。

復(fù)式樓層樓板厚度≥130mm，配筋率≥0.25%。多遇地震時樓板應(yīng)力［3］不超過混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，設(shè)防地震時樓板應(yīng)力不超過鋼筋強(qiáng)度設(shè)計值，即小震不裂，中震不壞。

4.4 豎向構(gòu)件收進(jìn)

各棟主樓從標(biāo)準(zhǔn)層到復(fù)式樓層Y向存在豎向收進(jìn)，收進(jìn)后水平尺寸為下部樓層相應(yīng)水平尺寸的92%，收進(jìn)部位上下各2層豎向構(gòu)件抗震構(gòu)造措施的抗震等級提高為特一級，外圈端柱增設(shè)型鋼，并加強(qiáng)豎向體型突變部位及其上下層的樓板，樓板厚度≥130mm，配筋率≥0.25%。

5 結(jié)論

通過對YJK和MIDAS兩個不同力學(xué)模型軟件的分析結(jié)果進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)各整體指標(biāo)相差不大，說明程序的計算結(jié)果是可靠的。

(1)小震和風(fēng)荷載彈性分析——主要包括自振特性、基底剪力及樓層剪力、總重量及剪重比、樓層位移及位移角(比)、樓層剛度和受剪承載力，計算結(jié)果均符合規(guī)范要求。

(2)中震分析——主要包括底層加強(qiáng)部位結(jié)構(gòu)的局部指標(biāo)(中震彈性/不屈服)均滿足性能目標(biāo)要求。

(3)采用MIDAS Building軟件分析大震動力彈塑性結(jié)構(gòu)整體性能和構(gòu)件變形性能。整體結(jié)構(gòu)層間位移角滿足規(guī)范最低要求(1/120)且有余量;底部加強(qiáng)部位主要抗側(cè)力墻肢端柱內(nèi)設(shè)置型鋼，構(gòu)成了具有很好的強(qiáng)度和剛度，以及延性性能的組合構(gòu)件。從計算結(jié)果上看，對剪力墻在大震作用下的抗震能力起到了很好的提高作用;短肢墻及豎向構(gòu)件收進(jìn)的下層位置，塑性發(fā)展情況嚴(yán)重，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中對其適當(dāng)加強(qiáng)。

該工程屬于超限高層建筑，由于在結(jié)構(gòu)設(shè)計時采取了合理的結(jié)構(gòu)布置，對結(jié)構(gòu)的薄弱部位進(jìn)行了加強(qiáng)以及性能化設(shè)計，并采用型鋼混凝土構(gòu)件，使得結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。

［1］ JGJ3－2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010．

［2］ 傅學(xué)怡．大型復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與實(shí)踐［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2015．

［3］ 扶長生，劉春明，李永雙，等．高層建筑薄弱連接混凝土樓板應(yīng)力分析及抗震設(shè)計［J］．建筑結(jié)構(gòu)，2008(3): 106－110．

Structure design of a super class B high－rise residential with shear wall structure

ZHENG Zhihui
(Xiamen New Urban Architectural Design Institute Co.，Ltd，Xiamen 361012)

Xiamen thaihot Shouxi B2#building has 59 floors on the ground，with structure height of 172.95m.The structure system is shear wall structure，which belongs to the super class B out－of－codes high－rise building.The elastic analysis of frequent earthquake was completed by using YJK and MIDAS，and based on the results of dynamic elasto－plastic analysis of rare earthquakes，the important parts of the structure are strengthened.The design measures were summarized in the view of the complex factors，such as out－of－codes about the height，irregularity of plane and discontinuity of floor slab.

Super class B high－rise;Shear wall structure;Irregularity of plane;Dynamic elasto－plastic analysis

TU3

A

1004－6135(2017)02－0037－05

鄭智輝(1985．8－ )，男，工程師。

E-mail:zhihuizheng365@163．com

2016－11－05