某超高層住宅結構方案比選

錢鈞瓏

引言

本項目為超高層住宅，地上46層，房屋高度為148.65m。一般而言，板式高層住宅多采用剪力墻結構。初設時，結構方案有兩個，甲為剪力墻結構，乙為框-剪結構。根據抗規、高規及建質[2010]109號文的規定，甲屬B級高度超限建筑，乙屬超B級高度超限建筑。設計采用SATWE程序進行小震反應譜彈性計算對比分析，綜合考慮后選用B方案。

1 工程概述

項目地上46層，上部結構嵌固端取在地下室頂板。主樓豎向規則，無突變[1]。抗震設防類別丙類，設防烈度Ⅵ度，設計地震分組第二組，設計基本地震加速度值0.15g，特征周期0.45s，場地類別Ⅱ類。主樓基礎采用人工挖孔灌注樁基礎，樁端持力層為中風化花崗巖層。

2 地震作用

2.1 計算分析方法

結構抗震計算采用振型分解反應譜法計算，并考慮扭轉對結構的影響，地震作用分別考慮雙向地震作用和質量偶然偏心的不利影響，取二者不利值作為結構設計的依據。

2.2 安評與抗規的地震作用比較

小震作用下，當周期小于約3s時，安評提供的地震影響系數較大；反之，規范較大。中震和大震作用下，當周期小于約3.5s時，安評提供的地震影響系數較大；反之，規范較大。

2.3 天然波及人工波的選取

按照《抗規》規定，甲選用2組天然波（T631、T633）、1組人工波（R632），乙選用2組天然波（L0524、S0640）、1組人工波（S745）。

3 結構體系對比分析

甲主體結構采用剪力墻結構，剪力墻抗震等級一級；乙采用框剪結構，剪力墻、框架抗震等級一級；二者主要區別是乙將甲戶內的4片Y向長墻調整為4榀Y向框架。

由兩個結構體系布置情況可知：

（1）甲為剪力墻結構，是板式高層住宅的常用結構選型，布置中規中矩；但剪力墻墻厚偏大，且基本上將主要建筑隔墻布滿，造成主體結構自重過大，且結構Y向的抗側力剛度比X向大。

（2）乙為框-剪結構，剪力墻主要布置在樓電梯間及建筑外墻，且剪力墻端部結合建筑平面設有端框柱；戶內大部空間不布置剪力墻，而是結合建筑隔墻軸網布置框柱；主體結構自重較小，結構X、Y向的抗側力剛度較協調。

從使用功能來看，B方案較理想，也較經濟。

4 抗震超限情況對比

根據規定，甲、乙的超限情況基本一致，甲屬屬B級高度超限建筑，乙屬超B級高度超限建筑，均需做抗震設防專項論證。相比較，乙針對超限采取的抗震加強措施應比甲嚴格。

5 彈性計算結果對比分析

初步設計以SATWE為主要計算分析軟件，采用振型分解反應譜法計算地震作用，考慮偶然偏心及雙向地震作用；采用CQC法進行振型組合，采用抗規方法計算雙向地震作用。小震下彈性計算結果對比如下：

5.1 周期與有效質量系數對比

從周期計算結果可知：甲、乙的結構周期計算基本正常，滿足規范規定；但甲的結構周期比乙小，說明甲的結構剛度較大。

5.2 結構總質量及剪重比對比

由于甲的結構剛度大，自重大，其產生的地震效應較大，造成剪重比偏大，不能有效發揮抗側力體系的作用，也較不經濟。因此，乙較理想。

5.3 層間位移角對比

由于甲的兩向結構剛度差別較大，造成二者的位移角極不協調，較不經濟。事實上，乙雖然為框剪結構，但其地震作用下的最大位移角基本上可滿足高規規定的剪力墻結構限值。因此，乙較理想。

5.4 地震和風作用下的傾覆彎矩對比

風荷載作用下，甲、乙的傾覆彎矩差別不大。地震作用下，甲兩向的傾覆彎矩差別較大，Y向是X向的1.24倍；其次，乙的傾覆彎矩遠遠小于甲，甲X向是乙的1.75倍，Y向是2.15倍。因此，甲較不經濟，乙較理想。

經過以上對比分析，最終選擇乙。施工圖階段，本項目分別采用ETABS和SATWE兩個不同力學模型的空間結構分析程序計算，構件設計經判斷分析后采用二者的大值。選取2組天然波及1組人工波，對結構作小震作用下的彈性時程分析，取CQC法計算值、3組地震波計算結果包絡值的大者用于設計，使結構各項指標均能滿足相關規范的有關要求，達到小震作用下“結構處于彈性狀態，各構件無損傷、完好”的抗震性能目標。

6 針對超限情況采取的加強措施

本項目結構布置上通過計算調整抗側力構件的布置，減少結構的扭轉，保證框架、剪力墻協同工作。此外，還采取了抗震加強措施，主要有：

（1）底部加強區的框架、剪力墻以及中震下小偏心受拉的豎向構件抗震等級按特一級，特一級的框架柱、剪力墻端柱加設型鋼。

（2）中震作用下，底部加強區的剪力墻承載力按抗剪彈性、抗彎不屈服設計，框架柱按彈性設計。

（3）對重要部位的連梁配置鋼板，以加強其抗剪性能，實現“強剪弱彎”。

（4）適當增加落地剪力墻的配筋，提高剪力墻暗柱及墻身的配筋率，保證剪力墻延性良好。

7 結論

某高層住宅房屋高度148.65m，初步設計采用SATWE對兩個結構方案進行小震下的彈性計算及做彈性時程分析，最終選用框剪結構方案，屬超B級高度超限建筑。通過計算分析和采取相應的抗震構造加強措施，基本保證了結構具有較好的抗震性能。該項目針對超限結構采取的方案比選方法，可供類似超限高層結構設計參考。

[1]沈 晗.廈門某超高層建筑結構抗震設計與性能[J].廣東建材，2013，29（07）：44～48.

[2]錢鈞瓏.某超限建筑結構抗震設計[J].居舍，2017（31）：79.