某超限高層建筑框架—剪力墻結構抗震性能分析與設計

彭光宇

同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司 上海 200092

1 工程概況

館員住宅塔樓地上17層，地下1層，地上部分結構高度約57m，地下室層高5.6m，為高層建筑。因本單體地下室周邊局部區域地面標高低于地下室頂板標高，地下室未完全埋入地面以下，且東南側局部區域為開敞的下沉庭院，地下室頂板較大范圍缺失，基于以上因素，本單體嵌固端設置于地下室底板；本單體嵌固端為基礎頂，結構總高度62.20m，屬于框架-剪力墻結構，高度不超限。

本建筑考慮偶然偏心的扭轉位移比最大值為1.22，大于限值1.2，小于1.4，屬于扭轉不規則；本建筑一層偏心率為0.20大于0.150，屬于偏心布置；屋面構架層局部柱因向內移動，形成梁上立柱，屬于局部不規則[3]；二層與地下室頂板Y向質心偏心距為18.3m；與地下室頂板Y向邊長53.8m的比值為34%，大于20%，屬于塔樓偏置。根據建質[2015]67號文，本項目屬于超限高層建筑。

圖1 一層結構平面布置圖

圖2 二層結構平面布置圖

2 基礎及地下室設計

場地淺部地基土層物理力學性質較差，建筑對變形敏感，天然基礎和一般的地基處理較難滿足地基承載力要求。故主體結構采用樁基礎，樁型選用灌注樁。

高層塔樓范圍以6-1層全-強風化泥巖為樁端持力層，極限端阻力標準值為2000kPa，灌注樁直徑采用700mm，有效樁長為45m，預估單樁豎向承載力特征值約為3500KN。

純地下室區域以2-3層粉質粘土或3層粉質粘土為樁端持力層，極限端阻力標準值為1500kPa，灌注樁直徑采用600mm，有效樁長為20m，預估單樁豎向抗壓承載力特征值約為1200KN，且純地下室區域存在抗浮工況，灌注樁兼做抗拔樁，預估單樁豎向抗拔承載力特征值約為700KN。

無地下室區域以4-2層中風化凝灰巖為樁端持力層，極限端阻力標準值為1500kPa，灌注樁直徑采用600mm，有效樁長為25m，預估單樁豎向抗壓承載力特征值約為1300KN。

帶地下室區域采用樁筏基礎，筏板厚度主要為500厚，柱下布置承臺，剪力墻下筏板局部加厚，滿足沖切承載力要求；框架柱、剪力墻下樁基相對集中布置，樁距主要3.0D。

3 上部主體結構設計

3.1 主要設計參數

項目所在場區地的抗震設防烈度為7度(0.10g)，設計地震分組為第一組，場地類別為III類，特征周期為0.45s，住宅抗震設防重要性類別為標準設防類（丙類）；本項目單體擬采用框架-剪力墻結構體系，框架抗震等級為二級、剪力墻抗震等級為二級；本工程建筑結構安全等級為二級，設計使用年限為50年，結構重要性系數1.0。

表1 地震作用及結構分析參數（水平地震作用）

3.2 結構超限情況及采取的對應措施

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號文），本項目主要超限情況如下。

3.2.1 規則情況

（1）扭轉不規則：考慮偶然偏心扭轉位移比最大值為1.22，大于1.2，小于1.4；（2）偏心布置：本建筑一層偏心率為0.20大于0.150；（3）局部不規則：屋面構架層局部柱因向內移動，形成梁上立柱；（4）塔樓偏置：二層與地下室頂板Y向質心偏心距為18.3m；與地下室頂板Y向邊長53.8m的比值為34%，單塔與大底盤的質心偏心距大于底盤相應邊長20%；

（1）與（2）項屬于同一類超限，合并為一項，綜合判定共3項超限項，屬于特別不規則結構，按要求需進行超限高層抗震設防專項審查；經超限評審會討論及與專家溝通，針對本單體超限項次采取相應措施進行加強[2-3]。

3.2.2 加強措施

整體的概念加強措施：①結構布置上盡量根據結構平面、立面特點布置結構抗側力構件，使結構剛心和質心盡量一致，并滿足剛度要求。通過對外圍構件進行適當加強來提高結構平面的抗扭轉剛度。建筑兩側均布置剪力墻，提高結構的抗震性能，現以扭轉為主的第一自振周期與以平動為主的第一自振周期之比小于0.9。②豎向體型突變部位（地下室頂板），板厚均大于150，樓板貫通筋配筋率提高至0.25%；體型突變部位上層結構的樓板配筋雙面雙向拉通，構造措施適當加強。③立面收進、塔樓偏置樓層，對收進部位以下2層結構周邊的豎向構件配筋構造措施進行適當加強，合理控制軸壓比。立面收進部位上、下各2層塔樓框架柱、剪力墻的抗震等級提高一級，為一級。④屋面局部轉換梁按轉換構件要求進行設計，轉換梁配筋及構造措施適當加強。⑤考慮到本項目不規則項次較少，塔樓偏置情況是由于地下室單面開敞所致，故本項目僅采用進行針對性加強的方式，對有關構件提高抗震等級等措施進行加強，滿足抗震性能要求。⑥采用多種不同計算方法，包多遇地震下反應譜計算、彈性時程分析，罕遇地震下靜力彈塑性分析等，尋找結構薄弱部位，通過提高構件配筋，增大截面等方式進行針對性加強。

3.3 彈性分析主要計算結果

本工程彈性分析采用YJK(盈建科)軟件作為主要計算分析軟件，以Etabs軟件作為輔助軟件進行計算校核。彈性分析結果如表2所示，計算結果均滿足規范要求。

表2 線彈性分析計算結果匯總

3.5 彈性時程分析

本項目彈性時程分析選用了5組實測地震波和2組人工地震波進行多遇地震下的補充計算。在地震波選用中綜合考慮場地類別、數量、頻譜特性、有效峰值、持續時間、統計特性、震源機制以及工程判斷幾個方面的要求，最終的選波及線彈性時程分析計算結果如表3所示。

表3 彈性時程分析與CQC方法的比較

3.6 靜力彈塑性分析

本工程項目單體采用PUSH程序進行X+、X-、Y+、Y-四個方向的靜力推覆分析。側推荷載分別采用倒三角形分布和彈性CQC 地震力分布模式，側推荷載總量最大加載到結構總重量的100%，逐步加載非線性分析。計算結果顯示，罕遇地震作用下的基地剪力為多遇地震下的2.6~3.0倍左右，其中X方向罕遇地震下的性能點最大層間位移角為1/336（8F），Y方向罕遇地震下的性能點最大層間位移角為1/224（18F）。

在施加水平方向推覆力時，首先在中間樓層出現連梁出鉸，隨著推覆力的不斷較大，其他各層也出現連梁出鉸，隨后個別框架柱也出現塑性鉸；局部柱出現一定程度的損傷，后續設計時對相應柱進行配筋加強。在達到罕遇地震性能點時，局部樓層的框架梁及部分框架柱出現了塑性鉸，但主要的框架柱、梁等關鍵構件均沒有出現塑形鉸，結構滿足規范規定的要求，同時可以滿足“大震不倒”的性能目標要求。

4 結論

本文以工程項目為背景，詳述了對該項目框架剪力墻結構單體的線彈性分析、彈性時程分析及靜力彈塑性分析。主要結論如下：

⑴該結構在小震作用下，最大層間位移角為1/1019，小于1/800，滿足規范規定的要求，且有較大的富余量。

⑵結構第一階平動周期為1.91s，第一階扭轉周期為1.700s，周期比值為0.87，表明結構布置合理，且具有較大的抗扭剛度。

⑶彈性時程分析結果表明，結構位移基本連續，位移角平均值滿足規范規定的不大于 1/800的要求，彈性時程計算結果總體上小于反應譜計算結果，兩種方法的計算結果基本吻合，滿足規范要求。

⑷靜力彈塑性分析結果表明在預估的罕遇作用下最大彈塑形層間位移角為1/224，小于1/50，滿足規范要求。