皇都花园二期2号楼超限高层结构抗震设计

陶文霞

（大地建筑事务所（国际）上海分公司，上海 200122）

近年来，随着人们生活水平不断提高，对居住环境的要求越来越高，对房型的要求越来越挑剔。精明的开发商为了迎合消费者的心理，侧重于营造居住生活空间的舒适性，由此大量不规则住宅出现。《抗规》3.4.3条明确规定了不规则类型主要有平面不规则和竖向不规则，其中平面不规则包含扭转不规则，凹凸不规则，楼板局部不连续；竖向不规则包含了侧向刚度不规则，竖向抗侧力构件不连续，楼层承载力突变[1]。

1 工程概况

本工程为友富（上海）有限公司投资开发的皇都花园二期。皇都花园位于上海闵行七宝镇地区，与莘庄镇比邻。基地南面为顾戴路，东为新镇路，西面为北横泾，北侧为宝铭路，总用地面积22.89公顷。皇都花园二期主要由10栋高层住宅建筑组成，住宅层数从12层到20层，其中2号楼为20层。本工程属丙类建筑，结构安全等级为二级，合理使用年限为50年，设计特征周期0.9，设计地震分组为第一组，抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度为0.10g。多遇地震时，水平地震影响系数最大值为0.08，建筑场地属IV类场地。

2 结构设计

2.1 结构选型及布置

2号楼结构平面为‘Y’形，采用剪力墙结构，剪力墙抗震等级为三级。主楼高度为20层，61.0m，出屋面塔楼一层高4.8m。结构高宽比为1.42。地下室层高为3.5m，地面以上一层层高为3.5m，其余为3.0m，屋面层为3.5m。地下室外墙厚350mm，地面以上外墙为300mm，内墙为250mm及200mm，个别部分为300mm。地下室顶板厚180mm，二层楼板因开大洞加强厚150mm，顶层厚150mm，其余层厚120mm（其中各肢连接部位加强厚150mm）。二层和标准层结构平面布置图见图1，图2。

2.2 结构超限情况与不规则性

2号楼平面形状为‘Y’形，其中Bmax=43.104m，L=49.441m，l=24.970m，b=10.075m。根据《超限高层建筑工程抗震设计指南》[2]其超限主要在如下几个方面：

1)l=0.58Bmax>0.30Bmax;b<0.30L且b<0.5l

2)楼板不连续：二层楼板开洞后，有效宽度小于该楼层楼板典型宽度的50%,开洞面积大于该楼面面积的30%[2]

3)扭转不规则：考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层的最大弹性水平位移（层间位移）大于该楼层两端弹性水平位移（层间位移）平均值的1.2倍[2]。由于平面不规则，南北不对称，结构扭转效应较大，某些楼层竖向构件的最大水平位移与楼层平均值之比大于1.2，属扭转不规则

综上所述，2号楼为平面不规则的超限结构，需按超限高层的有关要求设计。

3 结构分析

由于2号楼属平面不规则的超限高层结构，所以采用SATWE，PMSAP两种计算软件进行整体计算分析与比较，并进行了抗震专项审查。计算地震作用时采用空间扭转耦联的振型分解反应谱法，计算振型数为15，以地下室底板面作为上部结构的嵌固端，计算单向地震作用时考虑偶然偏心的影响，同时由于结构质量和刚度分布明显不对称，计算中也考虑了双向地震作用下的扭转影响。另外由于结构体型为‘Y’型，结构抗侧力构件非正交，计算中按多个角度进行了验算，由程序自动算出最不利方向角，找出了最弱方向进行抗震验算。在整体计算中采用楼板刚性假定，但是在楼，电梯间附近和开大洞的周边，计算时设置为弹性板，各楼层中如楼板缺失较多时也将该楼层板设为弹性板。按总刚模式进行计算分析，找出结构的刚度突变部位和薄弱部位。各种计算结果见列表所示。

计算成果表

从计算结果来看两个程序计算的结果基本吻合，结构性能包括结构的自身振动特性，地震作用和结构位移均能满足规范要求。以扭转为主的第一自振周期为第三周期，其值小于第一平动周期的0.90，但比较接近。结构水平位移由地震作用控制，各楼层的最大层间位移角均小于规范规定的限值；在考虑偶然偏心影响的单向地震作用下，楼层的最大弹性水平位移（层间位移）与该楼层两端弹性水平位移（层间位移）平均值的比值控制在1.3以内，能较好的控制地震作用下的扭转效应；计算的累计有效质量系数大于90%，说明所选计算振型数满足要求；各楼层水平地震剪力与楼层重力荷载代表值的比值均满足《抗规》[1]5.2.5条的要求。

计算程序 SATWE PMSAP自振周期扭转成份T1 1.6061 1.00 0.00 1.531763 1.00 0.00 T2 1.5409 1.00 0.00平动成份周期周期1.461405 0.98 0.02扭转成份1.327660 0.03 0.97 T3/T1=86.7%T3 1.3207 0.00 1.00周期比 T3/T1=82.2%第一地震方向91.59%第一地震方向98.02%第二地震方向91.58%第二地震方向98.36%有效质量系数地震作用X：1/1131 X：1/1097最大值层间位移角Y：1/1146 Y：1/1124 X：1.23最大层间位移与平均层间位移的比值（最大值）X：1.30 Y：1.18 Y：1.23 X：1/4301 X：1/3808平动成份风载作用 最大值层间位移角Y：1/3472 Y：1/3658 Qox/Ge=3.57%Qox/Ge=3.12%剪重比Qoy/Ge=3.54%Qoy/Ge=3.05%

4 结构抗震设计及构造加强措施

2号楼采用了‘Y’型的建筑样式，而这类建筑由于其平面的严重不规则性，建筑中抗扭刚度的设计与控制成了重中之重。本工程在试算时，第一振型周期以扭转为主，结构位移比也较大。周期比和位移比是反映结构抵抗地震扭转效应的指标，它控制的是侧向刚度与扭转刚度的相对关系，直接反映结构抗扭构件布置的合理与否[3]。试算结果对抗震极为不利。经过对计算结果的分析，针对平面超限可能形成的薄弱构件和部位，设计时采取了如下措施：采用两种不同的空间分析软件进行对比分析，使两种计算结果尽量接近。在结构布置时，加大周边构件的截面，如将南面‘A’轴上的外墙加厚至350mm并且将四周角部墙肢加长，并使正交方向墙肢互为翼缘，使结构质心与刚心的偏心率减小，有效降低附加扭距。外圈连梁的刚度对抗扭效应的发挥也是很关键的，所以设计时将外墙周边窗台处的连梁改为上翻梁，由原先的300 mm×400 mm改为300 mm×900mm，计算结果表明，极大改善了结构的扭转性能。由于楼板开大洞，严重削弱了楼板传递水平力的能力，造成洞口附近梁板应力集中现象，为提高各层楼盖的承载能力和整体刚度，沿孔洞周边尽量设置边梁，增加洞口边梁侧向抗扭钢筋，抗扭钢筋的间距控制在100mm范围，同时增加孔洞周边连接板的板厚，配筋双层双向拉通，以提高该部位的抗震能力，避免由于平面刚度突变出现明显的结构薄弱部位。加强‘Y’形平面两个肢与主体连接部位断面的梁板强度提高其配筋率，并进行局部特定分析，所以2号楼‘Y’形肢连接部位处的各层楼板都加厚为150mm，双层双向配筋。加强建筑物外边梁的强度提高配筋率，加强角部竖向构件及水平构件的抗震承载力。通过上述这些构造加强措施，结构的整体抗震性能有了明显的改善。同时在总体计算时控制扭转成份，并尽量减少扭转影响，两种计算程序的分析结果显示，结构在地震作用和风荷载作用下的周期、位移、剪重比等各项指标接近，分析结果可靠，较好地满足了规范要求。

结语

通过以上论述，我们知道随着建筑设计及使用功能的日益多样化，会出现越来越多的平、立面不规则超限高层建筑。对于结构设计师来说分析结构的复杂性和结构形式的特殊性，能运用概念设计对不规则住宅建筑进行结构设计是项巨大的挑战，结构师必须拥有清晰的结构概念和力学知识。本文主要研究通过一系列计算和抗震加强措施对不规则住宅进行设计。通过工程实例介绍了不规则住宅建筑的计算要点和薄弱部位以及在荷载作用下的受力、变形特征。通过选择合理的结构体系，减小结构平面的凹凸程度，加强周边构件的刚度、调整质心与刚心偏心率，来减小结构的扭转效应。总之，结构设计师针对不规则结构的抗震设计，必须通过可靠的计算，采取有效的构造加强措施对建筑物的薄弱部位和薄弱构件进行加强，增强结构的抗震性能，以此来控制由于平面或竖向不规则对结构产生的抗震不利影响，使不规则住宅的舒适性可以满足，但是其安全性仍然可以达到国家规范的要求。

[1]建筑抗震设计规范 GB50011-2010北京：中国建筑工业出版社，2001.

[2]吕西林.超限高层建筑工程抗震设计指南-2版 上海：同济大学出版社，2009.10.

[3]高志建.半岛花园9号楼超限高层结构设计.上海建设科技 2005.

[4]高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ3-2002.北京：中国建筑工业出版社，2002.