某高層在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中超限問題分析

陳志聰

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州 510010）

1 工程概況

逸彩新世界住宅項(xiàng)目位于廣州市荔灣區(qū)。總建筑面積約為35.8萬m2，E棟高141.00m，層數(shù)43~47層；地下室4層，首層層高4.5m，二層層高4.2m，裙房建筑功能為商業(yè)，標(biāo)準(zhǔn)層為住宅，層高為3m，避難層在15F和31F，層高為3.6m，如圖1所示。

圖1 YJKE棟模型

2 結(jié)構(gòu)體系

E棟塔樓結(jié)構(gòu)高度141.00m，結(jié)構(gòu)平面外包尺寸約為48.35m×32.25m，長寬比為1.50，塔樓高寬比4.37。綜合考慮建筑功能、立面造型、抗震（風(fēng)）性能要求、施工周期以及土建造價等因素，本項(xiàng)目采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系，為超B級高度高層建筑。

超高層的結(jié)構(gòu)體系主要包括重力體系和抗側(cè)力體系兩大部分。對于本項(xiàng)目，塔樓重力體系主要指樓面體系，而抗側(cè)體系則有塔樓剪力墻和框支柱組成，水平荷載產(chǎn)生的剪力和傾覆彎矩由框支柱和剪力墻承擔(dān)，如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)換層

本工程主要采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓蓋。各層樓蓋的主要結(jié)構(gòu)布置原則如下。

（1）主塔樓標(biāo)準(zhǔn)層采用主次梁結(jié)構(gòu)，板厚主要為100mm、120mm和150mm。

（2）轉(zhuǎn)換層板厚主要200mm。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

塔樓YJK整體計(jì)算結(jié)果匯總及其ETABS模型的計(jì)算結(jié)果對比詳見表1。

表1 塔樓YJK整體計(jì)算結(jié)果匯總及其ETABS模型的計(jì)算結(jié)果對比

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，結(jié)合規(guī)范規(guī)定的要求，可以得出如下結(jié)論。

（1）樓層剪重比均滿足廣東《高規(guī)》4.3.12，結(jié)構(gòu)剛度適中。

（2）本工程滿足廣東《高規(guī)》3.7.3按部分框支—剪力墻結(jié)構(gòu)控制，結(jié)構(gòu)最大層間位移角限值為1/180。

（3）在偶然偏心地震荷載作用下，按廣東《高規(guī)》3.4.4規(guī)定水平力法計(jì)算得出的Y向最大扭轉(zhuǎn)位移小于1.39，滿足廣東《高規(guī)》，屬于一般扭轉(zhuǎn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)。

（4）按廣東《高規(guī)》3.5.3，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪承載力不宜小于其相鄰上一層受剪承載力的75%，層間受剪承載力比最小值為0.94，不屬于樓層承載力突變。

（5）結(jié)構(gòu)剛重比大于2.7，滿足廣東《高規(guī)》5.4.1對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的要求，不需考慮重力二階效應(yīng)。

（6）反應(yīng)譜地震作用下的最大層間位移角，ETABS計(jì)算的結(jié)果較小的原因是ETABS軟件未能剪力調(diào)整導(dǎo)致。

3.1 結(jié)構(gòu)的彈性時程分析

本工程為B級高度高層結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為7度，彈性時程分析法進(jìn)行設(shè)防地震下的補(bǔ)充計(jì)算。采用YJK進(jìn)行彈性動力時程分析，輸入地震波為設(shè)防地震的5組記錄和2組人工波，雙向輸入，主方向地震動時程的有效峰值加速度為110cm/s2，次方向地震動時程的有效峰值加速度按主方向的85%輸入；進(jìn)行彈性動力分析時按7度地震Ⅲ類場地，50年時限內(nèi)超越概率為10%（中震），阻尼比為0.05考慮。

（1）時程分析結(jié)果滿足七組地震波平均底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果的80%，同時不大于120%，每條地震波底部剪力不小于反應(yīng)譜法結(jié)果的65%，同時不大于135%的條件，地震波反應(yīng)譜平均值與規(guī)范反應(yīng)譜統(tǒng)計(jì)意義上相符。

（2）七條波得出樓層剪力平均值曲線與CQC得出的剪力曲線基本一致，各條波樓層位移曲線相似，裙房層以上樓層曲線較光滑無明顯突變，反映出裙房以上結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度沿高度方向較為均勻。最大位移角出現(xiàn)在中上部，符合位移角分布規(guī)律，計(jì)算所得層間位移角最大值均在規(guī)范允許值范圍內(nèi)。

（3）在設(shè)防地震作用下，由于部分樓層時程剪力平均值大于反應(yīng)譜剪力，幅度在1.0~1.2，在對這些樓層施工圖設(shè)計(jì)時，施工圖設(shè)計(jì)時根據(jù)各層彈性時程和CQC剪力的比值分別輸入增大系數(shù)，如圖3所示。

3.2 框支轉(zhuǎn)換柱、梁

因?yàn)楸竟こ蘀棟屬于超高層，本棟三層屬于梁式轉(zhuǎn)換，故對本層設(shè)計(jì)要求較高。為解決轉(zhuǎn)換層的剛度要求，并且對框支梁的扭轉(zhuǎn)不足，轉(zhuǎn)換層部分框支梁增加型鋼。同時本層采用C60混凝土，并適當(dāng)提高配筋率及配箍率，且嚴(yán)格控制柱子軸壓比。

圖4為型鋼混凝土梁與鋼筋混凝土柱的連接大樣。考慮其雙向受力，保證兩側(cè)剛度一致，混凝土柱內(nèi)設(shè)置局部工字形型鋼。梁縱筋與柱的連接形式有兩種：①梁縱筋與柱內(nèi)型鋼翼緣采用套筒連接，使得梁上荷載能夠有效傳遞和增加整體穩(wěn)定性以及可將荷載均勻傳遞到柱內(nèi)。②梁縱筋與柱內(nèi)型鋼腹板交接時，采用直接穿孔的方式通過腹板，保證梁縱筋貫通錨固，故需連接大樣對穿孔精準(zhǔn)定位，這樣方便現(xiàn)場施工。

圖4 型鋼梁柱連接大樣

3.3 剪力墻

如圖5所示，因剪力超筋計(jì)算不通過，增加截面對建筑影響較大，故對剪力墻內(nèi)部加鋼板，增加剪力墻自身的剛度，從而滿足計(jì)算需求。

圖5 鋼板剪力墻大樣

4 超限處理的主要措施

建筑超限處理的措施如下。

（1）設(shè)計(jì)時分別采用多個空間結(jié)構(gòu)分析程序YJK、ETABS、SAUSAGE等進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)算時考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)、偶然偏心、三向地震的影響。

（2）采用等效彈性算法，進(jìn)行中震不屈服與大震不屈服驗(yàn)算，分析其抗震性能，并采取相應(yīng)措施。

（3）采用SAUSAGE軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震下的彈塑性分析，以確定結(jié)構(gòu)能否滿足第二階段抗震設(shè)防水準(zhǔn)要求，并對薄弱構(gòu)件制定相應(yīng)的加強(qiáng)措施。

（4）分析了中震工況下樓板應(yīng)力情況，確認(rèn)了中震下樓板的完整性。

設(shè)計(jì)和構(gòu)造方面可采取以下措施。

（1）對于部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)的剪力墻，其底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻按“中震抗彎不屈服、抗剪彈性”的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，其水平和豎向分布筋最小配筋率提高至0.5%，邊緣構(gòu)件最小配筋率提高至1.5%，使抗側(cè)剛度和結(jié)構(gòu)延性更好地匹配，達(dá)到有效地協(xié)同抗震。

（2）框支框架按“關(guān)鍵構(gòu)件”和一級抗震構(gòu)造等級進(jìn)行性能設(shè)計(jì)，抗震配筋構(gòu)造措施按現(xiàn)行國家相關(guān)規(guī)范執(zhí)行，滿足“中震抗彎、抗剪彈性”的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中對框支柱的箍筋最小體積配箍率和縱向受力鋼筋最小配筋率提高至1.6%。

（3）針對“扭轉(zhuǎn)剛度弱”和“樓板大開洞”的加強(qiáng)措施：提高塔樓周邊拉結(jié)梁的性能水準(zhǔn)，設(shè)為重要構(gòu)件，避免大震作用下構(gòu)件屈服后結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯增加。

（4）對于構(gòu)件轉(zhuǎn)換造成的樓板薄弱部位，根據(jù)彈性樓板分析結(jié)果加強(qiáng)配筋，保證樓板平面剪力的傳遞，轉(zhuǎn)換層樓板設(shè)為200mm厚，轉(zhuǎn)換層上一層樓板厚度提高至150mm，最小配筋率按0.25%控制。部分轉(zhuǎn)換層樓板按格柵設(shè)置，格柵梁寬度取2倍的板厚，總配筋率不少于1%。

（5）核心筒周邊薄弱處樓板厚度提高至150mm，按中震彈性設(shè)計(jì)，采用雙層雙向配筋，最小配筋率按0.25%控制。

（6）塔樓外周支承框架梁的墻翼緣和端柱按照框架柱的構(gòu)造包絡(luò)設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語

綜上所述，本工程存在“扭轉(zhuǎn)不規(guī)則”，“樓板大開洞”“扭轉(zhuǎn)剛度弱”，“剛度突變”和“構(gòu)件間斷”規(guī)則，我們對關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)定抗震性能化目標(biāo)。并在抗震設(shè)計(jì)中，采用多種程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈性、彈塑性計(jì)算分析，保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件在中震和大震作用下滿足對應(yīng)的性能要求。計(jì)算結(jié)果表明，各項(xiàng)指標(biāo)均表現(xiàn)良好，滿足規(guī)范的有關(guān)要求。根據(jù)計(jì)算結(jié)果和概念設(shè)計(jì)方法，對關(guān)鍵和重要構(gòu)件作了適當(dāng)加強(qiáng)，以保證在地震作用下的延性。

因此，本工程除能滿足豎向荷載和風(fēng)荷載作用下的有關(guān)指標(biāo)外，亦滿足“性能目標(biāo)C”的抗震設(shè)防目標(biāo)，結(jié)構(gòu)是可行且安全的。