超B級高度超限高層剪力墻結構性能化設計

肖 云

（深圳市建筑設計研究總院有限公司，廣東 深圳 518031）

1 工程概況

工程為廣東某超高層住宅，共10棟塔樓，地下室3層，地上部分設縫分開，地下部分與車庫連為一體。結構第一層和第二層為商業用房，結構第二層以上為住宅用房，剪力墻的荷載在第二層通過框支梁傳至框支柱，同時部分剪力墻落地設置荷載傳至基礎。文章就8#塔樓（結構高度為146.35m，層高51層）進行結構性能化設計。抗震設防類別為乙類，建筑結構安全等級為一級；工程所在地區抗震設防烈度為7度（0.10g），設計基本地震加速度0.08g，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，50年一遇基本風壓0.75kN/m2，地面粗糙度類別為C類。

2 結構體系及特點

2.1 結構體系和主要構件

8#塔樓為部分框支剪力墻結構體系如圖1、圖2所示，轉換層在地面第二層（樓面標高為+12.500m），除塔樓中央核心筒剪力墻及外圍4片剪力墻直接落地外，其余剪力墻均通過框支梁轉換至框支柱。構件抗震等級：裙房框架梁、柱抗震等級為一級，框支框架（框支梁、柱）和落地剪力墻抗震等級為特一級，其他剪力墻抗震等級為一級。

圖1 塔樓結構的三維軸測圖

圖2 結構標準層平面圖

2.2 超限情況

根據《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》（建質〔2015〕67號）和《廣東省超限高層建筑工程抗震設防專項審查實施細則》（粵建市〔2016〕20號），對該塔樓超限情況對照相關規范規程進行檢查，結果如下：

（1）房屋高度：結構高度為146.35m，采用部分框支剪力墻結構體系，大于B級高度鋼筋混凝土高層建筑抗震設防烈度7度（0.10g），高度120m限值。

（2）不規則類型：考慮偶然偏心情況下X向扭轉位移比最大值為1.21，Y向扭轉位移比最大值為1.18；X向大于1.2的限值。凹凸不規則平面的凹凸尺寸大于相應邊長30%。樓板不連續有效寬度小于50%，開洞面積大于30%，錯層大于梁高。構件間斷上下墻、柱、支撐不連續，含加強層、連體類。

綜上所述，該塔樓為超B級高度鋼筋混凝土建筑工程，同時具有四項不規則類型：扭轉不規則、凹凸不規則、樓板不連續、構件間斷。

2.3 性能目標

該工程綜合考慮了結構的特殊性、結構的超限情況、建筑費用等各項因素，選定結構抗震性能目標為C級，如表1所示。

表1 C級結構抗震性能目標

3 結構性能化設計采取的構造措施

（1）在框支構件周邊設置4片落地剪力墻，提高結構轉換層以下部分側向剛度，為框支梁提供支撐；將支承框支梁的剪力墻豎向分布筋最小配筋率提高至0.6%。

（2）轉換層上部兩層（3F、4F）剪力墻，其抗震構造措施提高至特一級。

（3）支承框支梁的落地剪力墻端柱，按柱考慮，進行兩個方向的承載力驗算，同時按照特一級框架柱與約束邊緣構件的構造要求進行配筋設計。

（4）部分承擔扭矩、剪力較大的框支梁，采取水平加腋處理，并加強剪扭構件配筋控制；在受剪力較大的部分框支梁內設置窄翼緣型鋼，提高抗剪承載力。

（5）轉換區域采用厚度為180mm的樓板，板配筋雙層雙向拉通布置，轉換區域樓板配筋率控制在0.40%以上。

4 結構彈性分析結果

4.1 整體計算結果

該工程采用盈建科建筑結構計算軟件與ETABS房屋建筑結構分析與設計軟件進行了多遇地震與風荷載作用下的彈性分析，如圖3～圖6所示，計算結果如表2所示。

小震作用下、風荷載作用下結構的層剪力和層間位移角的結果如圖3～圖6所示，小震作用下的層間位移角X向為1/1076、Y向為1/1543，風荷載作用下的層間位移角X向為1/858、Y向為1/1065，均小于《廣東省標準高層建設混凝土結構技術規程》（DBJ 15—92—2013）規定的1/800的限值。

本層層側向剛度與上層側向剛度的70%和上部三層剛度平均值的80%較大值之比值如圖7所示，結構豎向剛度比均大于1，說明結構剛度均勻，不存在薄弱層，滿足《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）中規定，側向剛度小于相鄰上層的70%，或者小于其上相鄰三層側向剛度的80%則為薄弱層。在《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3—2010）規定，B級高度高層建筑的樓層抗側力結構的層間受剪承載力大于其相鄰上一層受剪承載力的80%，該項目計算結構均大于0.8，滿足規范要求，如圖8所示。

圖3 小震作用下剪力

圖4 小震作用下層間位移角

圖5 風荷載作用下剪力

圖6 風荷載下層間位移角

表2 整體分析結果

圖7 層間剛度比

圖8 層間受剪承載力之比

4.2 小震彈性時程分析

該工程選用2組天然波和1組人工波進行時程分析，選取計算的平均值和振型分解反應譜的結果進行比較，基底剪力結果如表3所示。結果表明，每條地震波時程曲線計算所得底部剪力不低于振型分解反應譜法計算結果的65%，多條地震波時程曲線計算所得底部剪力不低于振型分解反應譜法計算結果的80%，說明地震波選取合適。對天然波1、2、人工波計算結果與CQC法進行比較，結果如圖9、圖10所示。時程分析結構與分解反應譜在統計意義上相符，3組地震波下的結構層剪力受鞭梢效應的影響頂部局部樓層結構層剪力大于CQC法剪力值，在設計過程中對頂部幾層的剪力進行調整。

表3 三組波計算的基底剪力

圖9 X/Y向時程分析層剪力結果

圖10 X/Y向時程分析層間位移角結果

5 結構中震分析

5.1 中震整體分析

對結構進行了中震型分解反應譜法分析，中震作用下彈性分析的層剪力和層間位移角如圖11、圖12所示，計算結果如表4所示。結果表明在中震作用下結構的層間位移角和地基剪力為小震作用下的2.71倍，而中震分析地震反應譜的最大地震影響系數為小震的2.83倍，說明中震作用下結構剛度退化很小，基本仍在彈性階段工作。

5.2 中震彈性分析和中震不屈服分析

對轉換柱和落地墻進行編號，中震不屈服驗算結果表明，在中震不屈服作用下所有轉換柱和落地剪力墻均未出現拉應力。利用Xtract軟件采用平截面假定，計算框支柱和落地剪力墻的拉彎、壓彎承載力包絡曲線，再驗算框支柱的中震彈性抗彎結果，驗算結果表明，結構框支柱均能滿足中震抗彎彈性的要求。

因為中震下框支梁抗彎承載力、框支梁抗剪承載力、落地剪力墻、轉換層上部剪力墻、框架梁、連梁等其他構件均滿足性能目標，所以在中震下結構構件均滿足性能水準3的要求。

圖11 下層剪力

圖12 下層間位移角

表4 中震計算結果匯總

6 大震彈塑性時程分析

利用PERFORM 3D軟件，進行了大震作用下結構的彈塑性時程分析，如圖13所示，計算結果如表5所示。結果表明，在天然波1、天然波2、人工波作用下剪力墻沒有產生較大面積壓損傷，剪力墻墻身鋼筋基本未屈服，剪力墻控制在輕微損壞范圍內；框支柱混凝土最大壓應變小于混凝土峰值壓應變，且框支柱縱向鋼筋未屈服，框支柱基本處于輕微損壞；框支梁混凝土最大壓應變小于混凝土峰值壓應變，且框支梁縱向鋼筋都未屈服，框支梁基本處于輕微損壞；連梁部分混凝土出現壓損傷，且部分連梁縱向鋼筋屈服，連梁可控制在中等損壞范圍之內；框梁出現部分抗彎屈服，但框梁可控制在中等損壞范圍內；轉換層樓板混凝土沒有產生大面積壓損傷部位，轉換層樓板可控制輕度損傷范圍之內。結構整體能實現大震不倒，構件能達成設定的性能目標。

圖13 X/Y向大震三條波作用下結構層間位移角曲線

表5 大震三條地震波計算結果匯總

7 結論

該工程選定結構抗震性能目標為C級，在設計中采取一系列抗震加強措施保證結構的安全可靠，經分析表明，所有計算結果均能滿足規范與規程要求，在小震、中震、大震作用下結構各計算分析都能滿足設定的性能水準要求。