某超高層剪力墻住宅結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)

梁 影 譚增輝 姜 豪

（河南廣播電視大學(xué)1） 河南鄭州 450000 湖南大學(xué)2） 湖南長沙 410000成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)有限公司3） 四川成都 610000）

1 工程概況

本項(xiàng)目位于武漢市洪山區(qū)建和二路與南郊路交匯處，建筑功能為住宅和配套服務(wù)用房。其中24#樓建筑總高度為165.60m，剪力墻結(jié)構(gòu)，為B 級高層建筑。地下2 層，地上57 層，地面以上建筑層高均為2.90m。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，設(shè)計(jì)使用年限50 年，安全等級為二級，6 度設(shè)防，Ⅱ類場地，特征周期為0.35s，阻尼比為0.05；場地粗糙度類別為C 類，基本風(fēng)壓為0.35kN/m2，X 方向風(fēng)荷載體型系數(shù)為1.564、Y 方向?yàn)?.403。結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面布置如圖1 所示。

圖1 24#樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置圖

2 抗震性能目標(biāo)確定

根據(jù)住建部文件《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》（建質(zhì)[2015]67 號），建筑Y 方向偏心率為0.245＞0.15，房屋總高度為165.60m，屬B 級高度高層建筑，且?guī)в幸豁?xiàng)偏心布置一般不規(guī)則，結(jié)構(gòu)豎向布置較為規(guī)則，結(jié)合本工程實(shí)際情況，確定抗震性能目標(biāo)為D 級，如表1 所示。

表1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防性能目標(biāo)

3 小震彈性分析及時程分析結(jié)果

計(jì)算分析采用YJK、Midas Building 兩種三維空間分析軟件進(jìn)行整體內(nèi)力位移計(jì)算，并進(jìn)行對比分析。計(jì)算分析結(jié)構(gòu)主要數(shù)據(jù)指標(biāo)時樓層采用剛性樓板假定，地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端。

3.1 小震彈性分析結(jié)果

采用兩種軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震彈性分析，計(jì)算分析的周期、結(jié)構(gòu)總質(zhì)量、基底剪力、地震位移角、剪重比、剛重比等指標(biāo)參數(shù)基本一致，兩個不同力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)整體計(jì)算結(jié)果是相符的，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010（以下均簡稱《高規(guī)》）第5.1.12 條的規(guī)定。小震彈性分析結(jié)果來看，結(jié)構(gòu)剛度分布均勻，周期振動合理，位移指標(biāo)符合規(guī)范要求，剪重比等重要指標(biāo)均在合理范圍，結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下能夠達(dá)到性能水準(zhǔn)1 的要求。

3.2 彈性時程分析

《高規(guī)》第5.1.13 條規(guī)定對B 級高度的高層建筑，應(yīng)采用彈性時程分析法進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。本工程采用YJK 軟件進(jìn)行多遇地震作用下的彈性時程分析，分析時采用5 條實(shí)際地震記錄加速度時程曲線和2條人工模擬的加速度時程曲線，天然波由武漢地震工程研究院提供，人工波由YJK 軟件根據(jù)地震動參數(shù)合成，每條波包含X、Y 兩個方向的分量。在5 條天然波和2 條人工波時程曲線作用下，兩個主方向的基底剪力均處于規(guī)范譜65%～135%之間，七組地震波平均值處于規(guī)范譜的80%～120%之間；且所選地震波在統(tǒng)計(jì)意義上與規(guī)范譜相符，說明所選取的地震波滿足規(guī)范要求。

時程分析與振型分解反應(yīng)譜計(jì)算得到的樓層剪力相差不大，個別樓層時程分析結(jié)果稍大，當(dāng)依據(jù)振型分解反應(yīng)譜計(jì)算時可相應(yīng)放大樓層剪力。所選7 條地震波及振型分解反應(yīng)譜計(jì)算的層間位移角均滿足規(guī)范剪力墻結(jié)構(gòu)限值1/865 的要求，結(jié)構(gòu)層間位移角分布比較均勻，無明顯薄弱層。彈性時程分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下整體性能及結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能均滿足規(guī)范要求，即能實(shí)現(xiàn)性能水準(zhǔn)1 的要求。

4 結(jié)構(gòu)中震性能設(shè)計(jì)

按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010（以下均簡稱《抗規(guī)》）第3.10.5 條的要求，結(jié)構(gòu)在中、大震作用下應(yīng)進(jìn)行彈塑性計(jì)算分析。規(guī)范提供了增加阻尼比的等效彈性分析方法，用于中、大震作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)計(jì)算，以滿足結(jié)構(gòu)不同抗震性能水準(zhǔn)的性能設(shè)計(jì)。本章運(yùn)用YJK 采用等效彈性方法進(jìn)行抗震性能設(shè)計(jì)。

4.1 等效彈性方法的分析參數(shù)

針對本工程特點(diǎn)以及性能目標(biāo)，進(jìn)行中震不屈服設(shè)計(jì)時，阻尼比為0.06，水平地震影響系數(shù)最大值為0.125，連梁剛度折減系數(shù)為0.4，作用及材料分項(xiàng)系數(shù)均為1.0，材料強(qiáng)度采用標(biāo)準(zhǔn)值，其他主要設(shè)計(jì)參數(shù)采用規(guī)范值。

4.2 關(guān)鍵構(gòu)件、普通豎向構(gòu)件中震下性能設(shè)計(jì)

中震作用下關(guān)鍵構(gòu)件的抗震承載力應(yīng)不屈服；允許部分普通豎向構(gòu)件進(jìn)入屈服階段，但應(yīng)滿足受剪截面的限制條件；允許大部分耗能構(gòu)件進(jìn)入屈服階段。YJK 程序按照《高規(guī)》第3.11.3-4 條中關(guān)于第4性能水準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求對不同屬性分類的構(gòu)件進(jìn)行正、斜截面承載力的驗(yàn)算。由于樓層數(shù)量眾多，本節(jié)不再列出各樓層計(jì)算配筋簡圖。

4.3 中震作用下剪力墻墻肢小偏心受拉驗(yàn)算

按超限審查要點(diǎn)第十二條要求，應(yīng)驗(yàn)算混凝土構(gòu)件在中震作用下是否出現(xiàn)小偏心受拉。對中震時出現(xiàn)小偏心受拉的構(gòu)件應(yīng)采用《高規(guī)》的特一級構(gòu)造，拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值時宜設(shè)置型鋼。經(jīng)驗(yàn)算可知，在一層及構(gòu)架層部分墻肢出現(xiàn)拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力值均小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。出現(xiàn)偏心受拉部分的剪力墻墻肢按特一級抗震構(gòu)造措施要求加強(qiáng)。

4.4 中震作用下層間位移角

中震作用下，X 向樓層最大層間位移角為1/1115（28F），Y 向樓層最大層間位移角為1/630（46F），從分析結(jié)構(gòu)可以看出，層間位移角均小于1/288，滿足性能水準(zhǔn)4 對層間位移角限值的要求。

經(jīng)分析表明關(guān)鍵構(gòu)件及普通豎向構(gòu)件截面及配筋比較合理，關(guān)鍵構(gòu)件的抗震承載力驗(yàn)算滿足《高規(guī)》式（3.11.3-2）中震不屈服的規(guī)定；普通豎向構(gòu)件的受剪截面驗(yàn)算滿足《高規(guī)》式（3.11.3-4）的規(guī)定。一層及構(gòu)架層部分剪力墻墻肢出現(xiàn)偏心受拉，但拉應(yīng)力均未超過混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；對一層出現(xiàn)偏心受拉部分墻肢按特一級抗震構(gòu)造措施要求加強(qiáng)，對構(gòu)架層出現(xiàn)偏心受拉部分墻肢按二級約束邊緣構(gòu)件處理，鋼筋連接按受拉構(gòu)件要求。結(jié)構(gòu)在中震作用下的抗震性能滿足性能水準(zhǔn)4 的要求。

5 大震作用下彈塑性時程分析

根據(jù)《高規(guī)》第3.11.3 條，第5 性能水準(zhǔn)應(yīng)進(jìn)行彈塑性計(jì)算。在預(yù)估的罕遇地震作用下，關(guān)鍵構(gòu)件的抗震承載力、豎向構(gòu)件的受剪截面都應(yīng)滿足《高規(guī)》規(guī)定；較多的豎向構(gòu)件進(jìn)入屈服階段，但同一樓層的豎向構(gòu)件不宜全部屈服，允許部分耗能構(gòu)件發(fā)生比較嚴(yán)重的破壞；結(jié)構(gòu)薄弱部位的層間位移角應(yīng)符合《高規(guī)》第3.7.5 條的規(guī)定。項(xiàng)目采用PMPM-SAUSAGE 軟件進(jìn)行彈塑性時程分析。

5.1 地震波的選取

地震動是非常復(fù)雜的，具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，地震動的主要特性可以通過三個基本要素來描述，即地震動的幅值、頻譜、持時。采用時程分析法時，應(yīng)考慮上述地震動的三要素，合理選擇與調(diào)整地震波。本工程分析時輸入3 條地震波進(jìn)行時程計(jì)算，兩條天然波，一條人工波。天然波1 由武漢地震工程研究院提供，天然波2 為YJK-A 地震波庫里挑選，人工波的生成采用一般工程方法的三角級數(shù)迭加法來模擬。2 條天然波（TRB1、TRB2）及1 條人工波（RGB1）的時程曲線見圖2 所示。

圖2 加速度時程波曲線（主方向）

5.2 結(jié)構(gòu)的彈塑性位移響應(yīng)

5.2.1 結(jié)構(gòu)整體位移響應(yīng)

在3 組地震波6 個工況輸入下，結(jié)構(gòu)頂層X 向位移最大值分別為152.461mm（TRB1）、245.604mm（TRB2）、369.660mm（RGB1），Y 向位移最大值分別為430.203mm（TRB1）、155.974mm（TRB2）、145.047mm（RGB1）。用PKPM 建立結(jié)構(gòu)的彈性分析模型，計(jì)算出相應(yīng)于彈塑性時程工況的大震彈性位移響應(yīng)，與彈塑性模型在同樣的地震作用下進(jìn)行結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移響應(yīng)對比，TRB1 波結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移時程曲線對比如圖3 所示。

圖3 天然波1（TRB1）X 向頂點(diǎn)位移時程曲線對比

在地震作用前期階段，彈塑性分析的頂點(diǎn)位移時程曲線形狀與彈性分析基本一致，表明結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)；地震作用后期階段，彈塑性分析頂點(diǎn)位移曲線與彈性分析曲線分離，表明結(jié)構(gòu)開始發(fā)生彈塑性損傷，進(jìn)入非線性階段；但變化趨勢與彈性仍有較強(qiáng)相似性，表明結(jié)構(gòu)在罕遇地震下仍具有較好的剛度。

5.2.2 結(jié)構(gòu)層間位移角響應(yīng)

《抗規(guī)》第3.10.4 條條文說明中要求，用同一軟件、同一波形進(jìn)行彈性和彈塑性計(jì)算，得到同一波形、同一部位的彈塑性層間位移與小震彈性位移的比值，將此比值取平均或包絡(luò)值，再乘以反應(yīng)譜法計(jì)算的該部位小震位移，得到大震下該部位的彈塑性位移的參考值。取三條波比值的包絡(luò)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證彈塑性分析的參考位移，位移角比較結(jié)果如下表2 所示：

表2 三條地震波下彈性與彈塑性位移角比值

以建筑46F 為例計(jì)算大震下該部位的彈塑性層間位移的參考值，X 向?qū)娱g位移角Ux/h=1/3541x4.97=1/712，Y 向?qū)娱g位移角Uy/h=1/1964x7.27=1/270,兩個方向的位移均小于限值1/133，滿足大震作用下位移角的限值要求，且該位移角具有一定的參考價值。

5.3 主要構(gòu)件損傷情況

限于篇幅，本文僅給出損傷最嚴(yán)重的TRB1 波的結(jié)果。

5.3.1 結(jié)構(gòu)整體損傷發(fā)展情況

罕遇地震作用下t=5～10s 時，結(jié)構(gòu)底部偏中間部位的連梁開始出現(xiàn)輕微損傷，豎向構(gòu)件無損傷；t=15s時，樓層中部結(jié)構(gòu)連梁損傷已經(jīng)延伸到大部分樓層，大部分為輕微損傷，豎向構(gòu)件基本無損傷；t=20s時，結(jié)構(gòu)連梁損傷已經(jīng)延伸到整個樓層，并表現(xiàn)出了較為明顯耗能，中部偏上部樓層部位，部分連梁已發(fā)展為中度～重度損傷；t=25s 時，部分連梁已發(fā)展為嚴(yán)重?fù)p傷，剪力墻底部1/3 樓層出現(xiàn)局部輕微損傷；t=30s 時刻，更多樓層的連梁均發(fā)展為嚴(yán)重?fù)p傷，底部1/3 樓層剪力墻仍為輕微損傷，其中部分樓層出現(xiàn)了輕度損傷，上部樓層剪力墻基本未損傷；t=35s 及以后時刻，底部1/3 樓層剪力墻由輕微損傷發(fā)展為輕度損傷，而中部偏下部分樓層剪力墻也已出現(xiàn)輕微損傷，但結(jié)構(gòu)上部樓層剪力墻基本未出現(xiàn)損傷狀況。

5.3.2 剪力墻損傷情況

由于結(jié)構(gòu)設(shè)置合理的剪力墻開洞形成連梁，連梁在大震下?lián)p傷耗能效果明顯，從而保護(hù)了剪力墻，大部分剪力墻未出現(xiàn)明顯的損傷；底部加強(qiáng)區(qū)大部分剪力墻出現(xiàn)輕微～輕度損傷，滿足預(yù)設(shè)的性能目標(biāo)。

在16F 由避難層剪力墻開洞位置處形成短墻肢，罕遇地震下，短墻肢均出現(xiàn)輕度～中度損傷，未出現(xiàn)重度或嚴(yán)重?fù)p傷；由開洞形成的連梁出現(xiàn)了輕度損傷。該處雖然由于開洞形成了薄弱位置，但罕遇地震下仍具有足夠強(qiáng)度，可有效防止結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。位于剪力墻開洞下一層的15F 及開洞上一層的17F 剪力墻在相應(yīng)位置僅出現(xiàn)輕微損傷。在后續(xù)施工圖設(shè)計(jì)時，將避難層開洞處形成的短墻肢按照框支柱構(gòu)造予以加強(qiáng)，由于開洞形成的連梁按照框支梁構(gòu)造予以加強(qiáng)。同時，為了避免邊緣構(gòu)件配筋的急劇突變造成的不利影響，避難層的上一層及下一層對應(yīng)的剪力墻邊緣構(gòu)件按照約束邊緣構(gòu)件設(shè)計(jì)予以過渡加強(qiáng)。

5.3.3 樓板應(yīng)力分析

在進(jìn)行大震彈塑性時程分析時，已將樓板設(shè)置為彈性板，考慮樓板的實(shí)際剛度及變形。本節(jié)僅列舉部分樓層TRB1 波的樓板損傷結(jié)果。在不同的地震波作用下，不同樓層樓板發(fā)生損傷位置和損傷程度都基本一致，損傷主要集中在樓層中間天井開洞北側(cè)及樓層中間南側(cè)位置，損傷以輕微～輕度為主；兩天井北側(cè)兩連廊部位在三條地震波工況下，只出現(xiàn)輕微或輕度損傷，能夠保證良好的整體性。

根據(jù)以上損傷分析結(jié)果，可知在滿足小震性能水準(zhǔn)1 和設(shè)防地震性能水準(zhǔn)4 的要求前提下，關(guān)鍵構(gòu)件和一般部位的普通豎向構(gòu)件均能夠滿足大震的性能水準(zhǔn)5 的要求。耗能構(gòu)件耗能明顯，能夠起到預(yù)期的耗能機(jī)制作用。

6 結(jié)語

（1）小震作用下，整體指標(biāo)滿足規(guī)范要求且在合理范圍內(nèi)，各結(jié)構(gòu)構(gòu)件滿足彈性設(shè)計(jì)要求，變形滿足規(guī)范要求，滿足第1 性能水準(zhǔn)的要求。

（2）中震作用下，按等效彈性分析，結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件滿足不屈服設(shè)計(jì)要求，普通豎向構(gòu)件截面滿足控制條件要求，結(jié)構(gòu)滿足第4 性能水準(zhǔn)的要求。

（3）大震作用下，按彈塑性時程分析，結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)薄弱層的彈塑性層間位移角小于規(guī)范的限值（1/133），震后能保持直立不倒，結(jié)構(gòu)塑性鉸的發(fā)生、發(fā)展與分布規(guī)律符合鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的一般規(guī)律，結(jié)構(gòu)滿足第5 性能水準(zhǔn)的要求。

（4）從樓板損傷分析可知，小震作用下滿足彈性設(shè)計(jì)要求的樓板，在大震作用下，僅連接部位和其它個別部位的樓板出現(xiàn)輕微～輕度損傷（在施工圖設(shè)計(jì)時，連接處的樓板厚度取150mm，雙層雙向配筋，配筋率不小于0.30%予以加強(qiáng)），各層樓板均能起到協(xié)調(diào)豎向構(gòu)件變形的要求。通過小震、中震、大震的計(jì)算分析并按本報(bào)告所述的加強(qiáng)措施對薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)，本項(xiàng)目能滿足預(yù)定的抗震性能目標(biāo)D 級的要求。

（5）本工程通過多種分析軟件、多工況、多模型的計(jì)算分析，多方面、多角度地論證了結(jié)構(gòu)的抗震性能化設(shè)計(jì)，針對薄弱部位采取有效的加強(qiáng)措施。目前該項(xiàng)目已通過了超限審查和施工圖審查，進(jìn)入施工階段，項(xiàng)目作為超高層住宅的抗震性能化設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。