某超限高層剪力墻結構抗震分析與設計

魯曉旭 王曉慶

中國核電工程有限公司鄭州分公司（450052）

1 工程概況

該工程為鄭州金水萬達中心1號樓，位于鄭州市金水區科新路與農科路交匯處，其±0.00對應絕對標高為92.800，采用鋼筋混凝土剪力墻結構，地下兩層，-2層、-1層層高分別為3.7 m、4.66 m，其功能為車庫及設備用房；地上部分三個單元通過設置防震縫斷開，總建筑面積約4.6萬m2，建筑形態為超高層住宅樓及附屬商業，1～3層層高分別為4.9 m、4.9 m、3.55 m，4層及以上為標準層，層高均為3.15 m，其中左單元和中單元結構主體高度142.8 m；右單元結構主體高度115.66 m，屋面上部造型高度約20 m，建筑效果如圖1所示。

圖1 鄭州金水萬達中心1號樓

結構抗震設防類別為標準類設防（丙類）1，設計基準期為50年，建筑抗震烈度為7度（0.15 g），設計地震分組為第二組，場地類別為Ⅲ類，特征周期Tg為0.55 s，彈性分析結構阻尼比為0.05，周期折減系數取0.95；位移計算采用50年一遇基本風壓ω0=0.45 kN/m2，承載力設計時其風荷載取基本風壓值ω0的1.1倍，舒適度驗算時取10年一遇風壓值0.30 kN/m2，地面粗糙度類別為C類，結構的體型系數為1.40。

2 結構體系及主要構件截面

2.1 結構體系及典型平面

根據工程特點，結構塔樓采用剪力墻結構體系，樓蓋采用普通鋼筋混凝土梁板體系，主要樓層結構布置如圖2～圖4所示。

圖2 二層樓面結構平面布置圖

圖3 三層樓面結構平面布置圖

圖4 標準層樓面結構平面布置圖

2.2 結構主要構件截面

剪力墻、框架梁截面及混凝土等級見表1。

表1 剪力墻、框架梁截面及混凝土等級

2.3 樓板厚度

結構采用鋼筋混凝土梁板體系，根據結構特點及各種抗震需要加強的部位，其各樓層主要樓板厚度取值如下:

-1層樓板120 mm；1層樓板180 mm；

左單元:2層樓板130 mm；3層樓板180 mm；4層樓板130 mm；4層以上主要樓板厚100 mm；屋面樓板120 mm。

中單元:2層樓板130 mm；3層以上主要樓板厚100 mm；屋面樓板120 mm。

3 工程特點

3.1 場地地震安全性評價

擬建場地《場地地震安全性評價報告》中給出了三個不同概率設防水準的地面設計地震影響系數公式:

式中T1和Tg為譜的拐點周期，其中Tg也稱為特征周期，βm為譜的最大值，γ為衰減指數，T為工程結構周期，相應參數取值見表2。

表2 場地地震安全相關參數取值

通過地震反應譜進行比較，與安評場地反應譜的峰值比較高，但是長周期段下降比較快，低于規范反應譜，根據計算分析結果給出結構前三個周期和第五周期處的比較，對左單元其場地反應譜結果與規范反應譜結果的比值分別為81.5%、85.7%、97.8%和106.4%，第一階振型在X方向占該方向基底總剪力的比例為72.2%，第二階振型在Y向占該方向基底總剪力的比例為57.6%，第五階振型在Y向占該方向基底總剪力的比例為69.3%；對中單元其場地反應譜結果與規范反應譜結果的比值分別為81.5%、83.3%、97.9%和107.7%，第一階振型Y向占該方向基底總剪力的比例為54.0%，第五階振型在Y向占該方向基底總剪力的比例為74.0%，第二階振型在X向占該方向基底總剪力的比例為72.4%；為考慮高階振型的影響，設計中應取規范反應譜及安評反應譜同時輸入進行小震計算，取兩者的包絡值進行配筋設計。本工程結構周期較長，按安評場地譜計算地震作用偏小，設計中在選擇預期水準的地震作用設計參數時，中震和大震仍采用國家規范規定的設計地震動參數及地震反應譜曲線。

3.2 建筑結構特點

1）左單元和中單元主體結構高度142.8 m，超出《高規》規定7度區A級高度限值，但不超B級高度限值；右單元主體結構高度115.66 m，在A級高度范圍內，不超限[1-3]。

2）左單元高寬比為7.8，中單元為8.2，右單元為7.4，均超出《高規》規定7度區剪力墻結構最大高寬比限值6。

3）左、中單元建筑門廳設置兩層通高，造成左單元二層開洞面積約21.16%及局部穿層墻，且需對個別上部墻體進行局部轉換；中單元二層開洞面積約24.79%及局部穿層墻。

4）建筑底部設置兩層裙房造成塔樓偏心，左單元X向偏心率為12.40%，Y向偏心率為8.7%；中單元X向無偏心，Y向偏心率為5.7%；右單元主樓與商業設縫分開，不存在塔樓偏心。

3.3 超限類別判定

依據《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》3，結合結構的平立面布置和多遇地震下的彈性反應譜計算結果，判定左單元和中單元為超A級高度，但不超過B級高度的基本規則結構；右單元不超限。

4 結構分析

4.1 小震彈性分析

對超限的左單元和中單元分別采用SETWE和ETABS軟件分別進行獨立計算并分析對比，其主要計算結果如下:

4.1.1 結構周期和振型

左單元:結構的周期比為1.651/3.229=0.51（SATWE），1.472/3.098=0.48（ETABS），均滿足規范限值0.85的要求。

中單元:結構的周期比為1.395/3.095=0.45（SATWE），1.471 8/3.098 0=0.48（ETABS），均滿足規范限值0.85的要求。

4.1.2 結構位移角和位移比

小震作用下，左單元和中單元結構的最大位移角分別為1/102 2（X向）、1/103 6（Y向），位移比最大為1.18，均能夠滿足規范要求。

4.1.3 基底剪力和傾覆彎矩

表3 地震作用下的基底剪力和傾覆彎矩

4.1.4 小震彈性時程分析

本工程選擇5組天然地震波和2組人工波進行結構分析。選取的地震波與加速度相應的反應譜曲線對比如圖5所示，其水平向對應的加速度峰值取55 cm/s2，雙向輸入。

SATWE和ETABS時程分析與反應譜計算結果分析:

1）對于各地震波及反應譜計算的基底剪力，每條地震波計算的結果與反應譜法的結果比值均能保證在65%～135%；平均值與反應譜法結果比值能夠保證在80%～120%，選波能夠滿足要求。

2）樓層剪力的分布情況為在下部樓層反應譜法計算樓層剪力大于時程分析結果平均值，但在上部局部樓層略小于時程分析結果，原因對于頂部樓層反應譜法不能較好的反映高振型的影響，需結合時程分析結果，對頂部部分樓層的地震作用適當放大。對左單元:X向地震作用和Y向地震作用下不再進行放大；對中單元:X向地震作用下38～44層放大系數為1.10，Y向地震作用下35～44層放大系數為1.2。

3）樓層傾覆彎矩以及樓層位移分布，反應譜法結果大于時程分析結果平均值，且分布規律相似。

4）結構層間位移角曲線平滑，時程分析法和反應譜法計算結果相似，且反應譜法計算結果略大于時程分析結果平均值。

綜合所述，反應譜法與時程分析法的計算結果基本一致，反映譜法能夠較好反映出該結構在地震下的響應狀況，時程分析法能夠對反應譜分析做出較好的補充。

4.2 大震彈塑性分析

對左單元和中單元的X向和Y向分別進行了大震下的pushover分析，結果顯示左單元X向和Y向的性能點對應最大層間位移角為1/122（39層）和1/136（28層），中單元X向和Y向的性能點對應最大層間位移角為1/124（19層）和1/153（29層），均小于規范限值1/120，可以實現大震不倒的目標，其能力譜曲線穿過需求譜曲線后呈繼續上升狀態，說明結構具備繼續承載的能力。

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5 結構設計

5.1 地基基礎設計

本工程采用樁筏基礎，設計等級為甲級，樁基礎采用鋼筋混凝土灌注樁，樁徑0.8 m，有效樁長25 m，采用樁端和樁側復式后注漿提高單樁承載力，現場通過試樁得到單樁承載力特征值為6 000 kN；筏板厚度取2.0 m。本工程左、中單元結構高度與右單元不同，設計中保持有效樁長不變，通過調整樁間距控制基礎差異沉降，實現基礎變剛度調平設計。

5.2 上部結構設計

5.2.1 性能目標

本工程采用抗震性能化設計方法，針對結構高度超限、2層樓板局部大開洞以及存在的局部轉換等情況，提高關鍵和重要部位構件的抗震承載力，確保整體結構能夠達到抗震性能目標C。具體抗震性能指標見表4。

表4 結構抗震性能目標

5.2.2 設計措施

1）采用彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算，取振型分解反應譜法和時程分析法結果進行包絡設計，確保結構在小震下能夠做到安全可靠。

2）控制墻體的軸壓比在0.5以內，提升結構的延性，對1～2層大堂局部穿層墻按中震彈性設計，驗算墻體的穩定性。

3）對大開洞周邊樓板板厚取130 mm，按照彈性樓板進行計算，并按中震應力分析結果進行雙層雙向配筋，且樓板配筋率不小于0.25%。

4）針對左單元存在的個別墻體轉換，采取以下加強措施:轉換梁采用型鋼混凝土梁，轉換梁及相關范圍內上部兩層墻體按照中震下的應力進行配筋校核，控制轉換梁在大震下的剪壓比，轉換構件所在的第3層樓板轉換層樓板構造要求進行加強，板厚取180 mm，按照彈性樓板進行計算，并按中震應力分析結果進行雙層雙向配筋，且樓板配筋率不小于0.25%。

5）進行結構靜力彈塑性分析，找出結構的薄弱部位，驗算其變形能力和抗震性能，確保結構達到預期的抗震性能目標。

6）對結構進行抗風計算，計算結構在風荷載作用下的基底剪力、傾覆彎矩、位移，并進行結構頂點加速度計算，驗算結構舒適度。

7）針對2層洞口周邊樓板、左單元轉換構件及周邊樓板的進行中震下的有限元應力分析，根據應力分析結果校核配筋。

8）對局部出屋面的結構，提高其抗震構造措施，尤其是與主體結構連接的構造措施[4]。

6 結語

通過以上抗震概念設計，結構小震、中震和大震計算分析，以上分析結果表明結構的主要控制參數均在合理的范圍內，針對存在的不利因素采取相應的設計措施后，可以確保結構實現預期的抗震性能目標。