某超高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及屈曲分析

郭瑾

（廣州市設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510620）

1 工程概況

本項(xiàng)目位于廣州市荔灣區(qū)，2C棟共46層，高148.200m，建筑面積約2.3萬m2，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.1m，首層層高7.9m、避難層層高3.5m。標(biāo)準(zhǔn)層平面圖如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層平面圖（單位：mm）

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

本工程的設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級。抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類，50年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓為0.5kN/m2，地面粗糙度類別為C類，塔樓及周邊外延兩跨框架與剪力墻的抗震等級分別為：地下一層及以上為一級，首層標(biāo)高改變處為特一級，地下二層為二級，地下三層為三級。塔樓及周邊外延兩跨之外地下室抗震等級：地下一層為三級，地下二層及以下為四級。

由于地下室頂板較完整無開洞，結(jié)構(gòu)嵌固端可取首層。

3 結(jié)構(gòu)布置及性能目標(biāo)

3.1 結(jié)構(gòu)布置

本工程塔樓為剪力墻結(jié)構(gòu)，屬B級高度高層建筑。高寬比為5.8，平面呈“品字”形，長寬比為1.27。塔樓投影范圍內(nèi)地下一層及首層采用梁板結(jié)構(gòu)，塔樓投影范圍外采用加腋大板。剪力墻底部樓層主要為550~300mm厚墻體，中部樓層主要為300~250mm厚墻體，頂部樓層主要為300~200mm厚墻體。框架梁主要截面為（200mm×600mm）~（300mm×600mm），次梁主要截面為（200mm×400mm）~（200mm×600mm）。樓板除核心筒區(qū)域采用現(xiàn)澆，其他區(qū)域主要采用鋼筋桁架樓承板。

3.2 結(jié)構(gòu)超限情況及性能目標(biāo)

2C棟主體結(jié)構(gòu)高度148.20m，屬B級高度高層建筑，除高度超限外主要有扭轉(zhuǎn)不規(guī)則（考慮偶然偏心的結(jié)構(gòu)最大扭轉(zhuǎn)位移比分別為1.21）、凹凸不規(guī)則、樓板不連續(xù)3項(xiàng)超限項(xiàng)[1]。

本項(xiàng)目抗震性能目標(biāo)為C級。對應(yīng)構(gòu)件性能目標(biāo)如表1所示。

表1 構(gòu)件性能目標(biāo)

4 首層墻屈曲分析

采用有限元分析軟件SAP2000對首層墻的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得到屈曲因子如表2所示，由表中數(shù)據(jù)可知分析所得屈曲因子最小值為33.03。

表2 各模態(tài)屈曲因子

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（DBJ 15-92—2013）[2]5.4.5，計(jì)算所得的屈曲因子大于10，墻體整體穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

5.1 小震彈性分析

采用YJK及Etabs兩個(gè)軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比計(jì)算分析，在振型參與系數(shù)滿足90%的情況下總質(zhì)量、前三階自振周期各對比模型偏差8%以下，反應(yīng)譜計(jì)算的基底剪力、傾覆彎矩偏差在15%以下，各對比模型的質(zhì)量、周期、剪力、剪重比以及位移形態(tài)基本一致，各指標(biāo)在規(guī)范合理限值范圍內(nèi)，剪力墻、框架梁、連梁配筋均合理。主要計(jì)算結(jié)果對比如表3所示。

表3 常遇地震作用下YJK和Etabs主要計(jì)算結(jié)果對比

5.2 彈性動力時(shí)程分析

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）[3]4.3.4條和4.3.5條，對2C棟進(jìn)行了常遇地震作用下的彈性時(shí)程分析。根據(jù)頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時(shí)間的地震波選取三要素，選取Ⅱ類場地7條地震波（5條天然波，2條人工波）進(jìn)行計(jì)算，在時(shí)程分析中，主方向地震波加速度峰取值為35cm/s2。分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)多組時(shí)程曲線的平均地震響應(yīng)系數(shù)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符，其中前三周期位點(diǎn)上地震波加速度反應(yīng)譜與規(guī)范譜差值小于20%，2C棟時(shí)程分析法基底最大總剪力與振型分解反應(yīng)譜法基底最大總剪力的比值各條時(shí)程曲線兩個(gè)方向計(jì)算結(jié)果均在65%~135%之間，每組時(shí)程曲線計(jì)算所得基底平均剪力與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算所得平均剪力的比值在80%~120%之間。單體基底剪力滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）[3]4.3.5條要求，小震彈性設(shè)計(jì)時(shí)各層剪力取時(shí)程分析法與振型分解反應(yīng)譜法兩者中的大值。

5.3 性能設(shè)計(jì)

通過使用YJK軟件對2C棟進(jìn)行了小震彈性、中震彈性、中震不屈服下的受力分析，并對大震抗剪截面、底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻大震抗剪不屈服進(jìn)行了驗(yàn)算。小震彈性計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)滿足小震彈性的設(shè)計(jì)要求。對局部樓層、個(gè)別連梁抗剪截面不滿足要求的，采用強(qiáng)剪弱彎復(fù)核配筋。小震彈性和中震彈性豎向構(gòu)件水平筋進(jìn)行比較，剪力墻水平筋、豎向構(gòu)件抗剪箍筋主要是小震控制，對計(jì)算結(jié)果取包絡(luò)設(shè)計(jì)。小震彈性和中震不屈服豎向構(gòu)件配筋、剪力墻連梁、框架梁縱向配筋比較，配筋結(jié)果有小震控制，也有中震不屈服控制，對計(jì)算結(jié)果取包絡(luò)設(shè)計(jì)。對各單體豎向構(gòu)件，大震抗剪截面驗(yàn)算結(jié)果表明，構(gòu)件剪壓比滿足限值，滿足性能目標(biāo)要求。底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻水平分布筋配置可滿足大震抗剪不屈服的要求。

采用YJK軟件對墻肢分別進(jìn)行了風(fēng)荷載作用下、常遇地震作用下、設(shè)防烈度地震作用下的受拉分析[4]，根據(jù)墻肢受拉分析驗(yàn)算結(jié)果，將墻肢拉應(yīng)力與2ftk對比，取首層為代表（表4），對于出現(xiàn)偏拉的墻肢，擬通過提高墻肢的配筋率，滿足中震下性能設(shè)計(jì)的要求。

表4 墻肢受拉驗(yàn)算

5.4 彈塑性動力時(shí)程分析

在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力彈塑性時(shí)程分析時(shí)，本工程使用了PKPM-SAUSAGE軟件。對2C棟選用人工波1條，天然波2條，地震波主方向峰值加速度取值為220cm/s2，次方向峰值加速度取值為187cm/s2，由于結(jié)構(gòu)存在強(qiáng)弱方向區(qū)分，故每條波對結(jié)構(gòu)X、Y方向分別選取主方向。結(jié)構(gòu)前三階自振周期分別為4.0570s、3.2430s、2.8990s，模型彈塑性最大剪力為小震CQC法基底剪力的3.77~5.66倍，大震彈塑性最大層間位移角在1/216~1/291之間，滿足1/120限值要求。罕遇地震作用下X、Y向各樓層的層間位移角、層位移曲線相對平滑，無明顯突變，位移角在中部樓層最大，位移曲線為彎曲型，與小震彈性階段曲線分析趨勢一致，說明結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段后剛度分布較為合理，未出現(xiàn)明顯的薄弱層。彈塑性動力時(shí)程分析過程中，塑性鉸最先出現(xiàn)在連梁上，繼而在連接剪力墻的框架梁上出現(xiàn)。在大震作用下，部分連梁損壞嚴(yán)重，說明在大震作用下該區(qū)域連梁剛度退化顯著，連梁發(fā)揮了預(yù)期的耗能作用；在大震作用下，剪力墻能夠保證結(jié)構(gòu)整體完整，除個(gè)別部位產(chǎn)生重度損壞以外，均保持在輕度損壞及輕度損壞以下，能夠達(dá)到C級抗震性能目標(biāo)[5]，結(jié)構(gòu)可行且是安全的。

6 結(jié)構(gòu)抗震加強(qiáng)措施

根據(jù)超限分析結(jié)果，結(jié)構(gòu)的抗震加強(qiáng)措施如下。

根據(jù)各水準(zhǔn)的性能分析結(jié)果，底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻豎向分布筋的配筋率取為0.30%，同時(shí)各構(gòu)件根據(jù)性能水準(zhǔn)，取包絡(luò)設(shè)計(jì)。

針對平面凹凸不規(guī)則，在凹凸位置利用電梯井、樓梯間布置相對完整的筒體，改善平面薄弱部位的受力性能，同時(shí)采用YJK軟件對樓板在小震、中震、大震下的受力性能進(jìn)行了分析。計(jì)算結(jié)果表明樓板處于良好的工作狀態(tài)，可以保證結(jié)構(gòu)的整體性。

針對平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，計(jì)算采用考慮扭轉(zhuǎn)耦連、偶然偏心等空間計(jì)算模型進(jìn)行多軟件的對比分析，并在全樓角部剪力墻設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。

7 結(jié)語

綜上，本工程高度超過A級高度120m，為B級高度超限高層建筑，具有扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、平面凹凸不規(guī)則、樓板不連續(xù)3項(xiàng)不規(guī)則項(xiàng)。超限分析針對不規(guī)則項(xiàng)進(jìn)行了了小震對比分析、小震彈性時(shí)程分析、性能設(shè)計(jì)、專項(xiàng)分析、大震動力彈塑性分析等，并根據(jù)分析結(jié)果對相關(guān)構(gòu)件進(jìn)行了適當(dāng)加強(qiáng)，分析結(jié)果表明結(jié)構(gòu)滿相關(guān)足規(guī)范的要求，能達(dá)到C級抗震性能目標(biāo)，結(jié)構(gòu)可行且安全。