天津某超高層剪力墻結構超限設計

賈 潮

(天津華匯工程建筑設計有限公司,天津 300381)

1 工程概況及設計條件

本工程位于天津濱海新區，總用地面積10 071.7 m2。整個工程工程由1棟超高層主樓與3棟附樓組成，總建筑面積132 837.04 m2，其中地上99 837.49 m2，地下32 999.55 m2。整個地塊設3層地下室，地下室總高度13.45 m，其中地下3層層高3.900 m，地下2層層高3.90 m，地下1層層高5.650 m。地下室主要用作車庫及設備機房。D區主塔地上48層，總高度178.100 m(裝飾架192.350 m)，其中首層,2層層高6.0 m，標準層層高3.4 m,高寬比178.1/24.9=7.15(192.35/24.9=7.72)，采用剪力墻結構。附樓A地上7層，總高度26.700 m,采用框剪結構。附樓B、C地上4層，總高度20.700 m，采用框架結構。本工程D區主塔地上主要用于公寓，附樓地上主要用于商業，主樓地上部分與附樓斷開。

本工程抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.15g，設計地震分組為第二組。抗震設防類別：丙類。建筑場地類別為Ⅳ類，場地土類型屬于軟弱土，根據安評報告特征周期0.65s。本場地屬可進行建設的一般場地。本場地屬非液化場地，且可不考慮震陷的影響。本工程多遇水平地震影響系數最大值αmax=0.12，罕遇水平地震影響系數最大值αmax=0.72。主樓地上48層，采用混凝土剪力墻結構，超B級超限高層，抗震設防類別為丙類，抗震措施按8度(0.20g)采用，鋼筋混凝土剪力墻抗震等級為一級;底部加強部位剪力墻，設備夾層及其上下層剪力墻采用特一級抗震構造措施。豎向構件底層部分采用高強度混凝土C60，向上逐漸遞減。

2 超限情況及相關措施

本工程主體高度178.100 m，為超B級高度超限高層；結構樓層的最大水平位移和層間位移與該樓層平均值之比部分樓層大于1.2，為扭轉不規則；由建筑平面布局可知，本結構局部存在“細腰”，為凹凸不規則。由于層高變化的原因，本樓有三部分側向剛度不滿足規范要求(54層為裝飾架結構)，分別為2層及上部兩個避難層處(在曲線圖中出現尖角處)，為軟弱層；其余主體結構側向剛度比值均滿足規范要求。在結構設計中將對兩個避難層及相鄰設備夾層上下各一層加強結構構造。

針對重要部位，按地震作用水準和建筑性能設計水準，確定如下建筑抗震性能目標，進行性能化設計。基于性能的設計方法是通過分析軟件對結構進行分析，以證明結構可以達到預定的性能目標。在基于彈性反應譜分析和彈性、彈塑性動力分析的基礎上，得出本工程在不同水平的地震作用下能夠達到的性能指標，代表了結構在不同水平地震作用下的預期抗震性能。抗震設計性能目標見表1。

表1 抗震設計性能目標

3 結構整體計算

3.1 小震彈性分析結果

結構方案計算采用下述兩種計算程序，并對結果進行分析比較。所用計算程序為：中國建筑科學研究院編制的多層及高層建筑結構空間有限元分析與設計PKPM系列軟件STAWE進行計算分析，還采用了由北京邁達斯技術有限公司基于三維的建筑結構分析和設計系統(Midas Building)開發的結構大師進行對比分析。計算結果均滿足規范要求。小震主要計算結果見表2,小震彈性時程計算結果見表3。

表2 小震主要計算結果

表3 小震彈性時程計算結果

3.2 多遇地震下彈性時程分析

采用三組強震加速度記錄作為動力時程分析的地震波輸入，一組為與設計目標反映譜相符的人工模擬加速度時程，其余二組為真實強震加速度記錄。由彈性時程分析中的三條時程曲線作用下的基底剪力均大于反應譜法的65%，且平均值大于反應譜法的80%，滿足規范要求。以其作為地震輸入計算得到的結構地震反應結果可作為結構抗震設計依據的補充。在進行設計時，結構地震作用取包絡值。

3.3 中震計算分析

為保證中震下剪力墻不發生剪壓破壞，在考慮中震荷載組合作用下，對剪力墻的截面進行了驗算。分別按中震彈性、中震不屈服對相應各部位剪力墻進行了截面驗算。通過比較剪力墻截面中的最大剪力與截面抗剪能力的比即可驗算其截面是否滿足要求。通過計算，結果表明各剪力墻均可滿足中震條件下截面抗剪驗算的要求。按照偏拉、偏壓構件計算后，各墻肢均可滿足設計要求。

3.4 大震不屈服分析(剪力墻底部加強區大震下抗剪截面控制計算)

為保證大震下剪力墻不發生斜壓破壞，在考慮大震組合作用下對剪力墻底部加強區的截面進行了驗算。大震作用下通過調整地震影響系數最大值使得按照彈性計算得到的基底剪力值與彈塑性三條時程波計算基底剪力結果的平均值相符，按其結果對剪力墻的截面進行了驗算。結果表明各剪力墻均可滿足大震下截面抗剪驗算的要求。

3.5 大震下非線性地震反應分析與抗震性能評價

根據《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)經插值取彈塑性最大位移角限值為1/135。驗算主樓在罕遇地震作用下的結構抗震性能，計算薄弱層位移反應和變形能力，判斷結構在大震作用下是否滿足規范規定的層間位移角限值，判斷結構的薄弱層和薄弱構件所在位置，對重要的構件進行加強，考察其是否能夠滿足結構的抗震性能目標，以實現“大震不倒”的設計思想。非線性地震反應分析采用中國建筑科學研究院PKPMCAD工程部多層及高層建筑結構彈塑性動力分析軟件EPDA軟件進行了計算分析。

本工程所用地震記錄由天津市地震工程研究所檢測中心提供的一組人工波，兩組天然波，地面最大加速度主方向取310 cm/s2，次方向取264 cm/s2，特征周期0.70 s，阻尼比0.06，計算持續時間25 s。

從彈塑性動力時程分析可以看出，結構在罕遇地震作用下，三組波計算的罕遇地震下結構的最大層間位移角均小于1/135，滿足規范要求；塑性鉸首先出現在連梁上，隨著時間的推移出現在框架梁上，剪力墻裂縫出現在底部和頂部及避難層，且受壓和受拉裂縫均出現在端部，為防止受拉裂縫和受壓裂縫的進一步發展，在施工圖結構設計中將在端部及避難層上下層加強構造措施，以增加剪力墻的延性。

根據主塔在罕遇地震作用下的非線性地震反應分析所得到的結果以及結構的抗震性能評價，可以得出以下結論：目前采用的結構體系與方案，以及構件尺寸、強度設計滿足大震作用下結構不倒塌的抗震性能目標。罕遇地震作用下，結構整體及各構件的抗震性能滿足本報告提出的性能目標。

4 結 語

工程屬超B級高度、平面不規則的超限高層建筑。由于在結構設計中采取了合理的結構布置，并采取了有效的抗震措施，從而減輕了平面不規則帶來的不利影響，使得結構具有較好的抗震性能，計算結果滿足現行規范和規程的要求。罕遇地震作用下層間位移角最大值小于規范規定的層間位移角限值1/135，可滿足大震不倒的要求。通過中震、大震計算分析結果表明，結構能夠滿足預定的抗震性能目標。

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