某超高层剪力墙结构方案优化设计

2011-07-09王舜奇宋化为

山西建筑 2011年29期

王舜奇宋刚宋化为

1 工程概况

武汉市江岸区某项目由于地处城区中心繁华地段，业主方拟建为超高层住宅，该项目高层主体结构高度约为170 m，地上层数为58层，为全现浇钢筋混凝土剪力墙结构。为了保证本工程建筑方案的顺利实施及更好的控制本工程结构设计的合理性和经济性，我公司按目前方案进行了结构计算分析，并与武汉市近年来设计的类似项目综合比较。

本工程方案平面宽度约为34.7 m，宽度约为19.9 m，地上1层高度约为4.5 m，标准层层高约为2.9 m，结构总高度约170 m，属于《高层建筑混凝土结构技术规程》中规定的B级高度高层建筑，需进行超限高层专项审查。本工程高宽比达到8.5左右，超过B级高度高宽比限制，对结构经济性有一定影响。

2 自然条件

根据武汉市《关于进一步加强建设工程抗震设防要求管理的通知》(武震办［2007］4号)，本工程需进行场地地震安全性评估，在无评估报告前暂按地震小区划参数进行设计，本工程位于ⅢA区，对应于50年超越概率63%，10%和2%的地表水平向设计地震动峰值加速度反应谱(5%阻尼比)参数值如表1所示。

表1 水平向设计地震动峰值加速度反应谱参数值

按B级高度结构抗震等级要求，本工程剪力墙抗震等级为二级。

风荷载取值按100年重现期基本风压为0.40 kN/m2，地面粗糙度类别为D类。风荷载体形系数取1.42(按高规附录A计算为1.42)。由于周边规划方案暂不明确，风荷载计算时暂不考虑相互干扰增大系数。

3 结构方案设计

结构平面图见图1。

3.1 结构布置

由于本工程平面宽度较小，为满足结构水平位移限值要求及舒适度要求，需要有足够的抗侧刚度，而建筑平面中纵横内墙基本没有对齐，给结构布置带来一定难度。通过大量的电算比较，我们采取了以下措施:

1)在中部电梯井筒及分隔墙处适当设置较长的竖向剪力墙，不过该处剪力墙刚度过大将导致扭转效应明显，需反复调整，并适当加大两侧山墙剪力墙厚度(增加50 mm)，方可使整体结构取得了较好的抗侧能力及抗扭能力，经计算此平面刚度中心与质量中心均基本重合。

2)平面右端户型由于建筑功能需要设有外挑通窗，且由于该处位于客厅不宜设梁，导致右侧山墙处剪力墙间无法形成整体刚度，是结构变形的薄弱部位，因此该部位剪力墙采用增设水平翼墙、形成局部筒体的方式予以加强。

3)沿外墙设置高连梁以加强整体性控制扭转。

经计算调整后，结构主要结构层墙厚及混凝土等级如表2所示。

图1 结构平面图

表2 结构层墙厚及混凝土等级

内外墙截面根据轴压比及刚度均匀渐变的原则从下到上逐渐减小，并与混凝土强度等级变化楼层错开。

主要框架梁截面高度500 mm。

外墙高连梁截面高度1 350 mm(上翻900 mm)。

3.2 结构计算分析

1)计算软件分别采用中国建筑科学研究院的SATWE和Midas Building2009软件进行三维空间结构有限元整体计算比较，经SATWE及Midas计算后的主要结果如表3所示。

2)风荷载作用分析及舒适度计算。

由于本工程结构高度较高且高宽比较大，风荷载对结构内力及位移有显著影响，需考虑多种风荷载作用下的模型计算:

a.按100年重现期风压作用计算，考虑连梁刚度折减系数0.8，验算100年一遇风荷载作用下结构层间位移角，控制结构位移、层间位移角满足规范要求;

b.按50年重现期风压作用计算，不考虑连梁刚度折减，计算结果表明，此工况作用下绝大多数连梁未出现超筋情况;

c.按10年重现期基本作用验算结构顶点的最大加速度，按高规规定，高度超过150 m的高层建筑结构应具有良好的使用条件，满足舒适度的要求。由于高规未给出计算公式，此处暂按高钢规相关公式计算:

顺风向顶点最大加速度:aw=0.044 m/s2＜0.150 m/s2;

横风向顶点最大加速度:atr=0.081 m/s2＜0.150 m/s2;

均满足规范的要求。

表3 经SATWE及Midas计算后的主要结果

3)弹性时程分析补充计算。

本工程采用SATWE程序进行弹性时程分析，由于本工程暂无安评报告，参考CECS 160∶2004建筑工程抗震性态设计通则，选用PKPM提供的两条适用于Ⅱ类场地的实际记录地震波(TAF-2，ELC-3)及一条人工波(RH1TG040)。峰值加速度取35gal，地震波的持续时间均大于结构基本自振周期的5倍，时间间隔为0.02 s，满足规范的要求。

由弹性时程分析的结果显示，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65%，三条时程曲线计算所得的结构底部剪力平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%，均满足规范的要求。另外，综合反应谱和时程分析的结果可以看到，结构上部十多层的时程响应要略大于反应谱结果，设计时这些楼层将按照时程分析的结果进行地震力放大。

4)抗震性能化设计。

新抗规中已经对建筑结构的抗震性能化设计提出了相关要求，由于本工程属超限高层，在考虑基于结构性能的抗震设计中，针对不同水准的地震作用，采用不同的性能目标，拟采用以下计算方式实现:

a.小震下，结构满足弹性设计要求，全部构件的抗震承载力和结构层间位移均需满足现行规范要求，结构构件处于弹性工作状态。b.中震下，结构的薄弱部位和重要部位构件(剪力墙底部加强区)处于弹性工作状态，进行结构非线性分析时，允许有些选定的部位接近屈服阶段，但不允许发生剪切等脆性破坏，各构件细部构造满足中等延性要求。c.大震下，结构重要部位的构件(剪力墙底部加强区)不屈服，对结构进行非线性分析，允许有些选定部位的构件达到屈服阶段，但应满足变形限制要求(楼层的最大层间位移角小于1/200)，不发生剪切等脆性破坏，各构件的细部构造满足高延性要求。

4 工程实例对比

武汉市区近几年来相继建成了多栋类似高度的剪力墙结构住宅，为了更好的优化本工程结构设计及相关审查的顺利通过，我方收集了武汉市及外地类似项目的结构平面布置及控制参数以资比较，主要有以下三栋:

A栋:武昌区某超高层住宅。该项目地处武汉市武昌区徐东二路，由2栋地上53层住宅楼及出屋面4层小筒体构成，总建筑面积约77 000 m2，地面以上总高178 m，属B类高层建筑，结构形式为钢筋混凝土剪力墙结构。

B栋:武汉汉阳某超高层住宅。该超高层建筑于汉阳濒临长江，交通方便，该建筑地下2层，地上55层，建筑总高度175.55 m，建筑总面积达55 209.3 m2。结构形式为钢筋混凝土剪力墙结构。

C栋:广州珠江某超高层住宅。该工程塔楼均为地上44层(不包括出屋面小塔楼)，主体高138.15 m，首层层高5.35 m，往上各层均为3.05 m。地震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，建筑场地为Ⅱ类。主体采用现浇钢筋混凝土剪力墙结构。

1)平面尺寸及自然条件见表4。

表4 工程平面尺寸及自然条件

2)剪力墙混凝土等级见图2。

图2 剪力墙混凝土等级

3)主要剪力墙厚度见图3。

图3 主要剪力墙厚度

4)主要计算结果见表5。

表5 主要计算结果

根据以上数据显示，与其他项目相比，本工程结构设计上具有如下特点:

1)地震力及风荷载等水平力作用在超高层结构设计中起决定作用。与本地项目相比，C栋高层由于抗震设防烈度为7度且基本风压较大，因此剪力墙厚度及混凝土等级都较高，从水平位移参数来看与其他三栋控制基本相当。在同抗震设防烈度情况下，本工程由于地处市中心，计算风荷载作用时地面粗糙度类别为D类，对计算较为有利，受风荷载控制作用较小;而A栋、B栋高层均以风荷载作用下水平位移控制为主。2)由于本工程高宽比较大，剪力墙的布置方式、截面厚度、混凝土等级等受结构整体抗侧刚度需要影响较大。与本工程高宽比类似的B栋高层同样布置了较多的Y向剪力墙，而且剪力墙截面厚度需要加厚，本工程底部标准层墙肢厚度为350 mm，B栋为400 mm;此时提高混凝土等级意义不大，最高混凝土等级为C55。A栋高层由于高宽比较小，剪力墙墙肢较短，剪力墙厚度受轴压比控制影响较大，在提高混凝土等级为C60后，底部标准层墙体厚度可以做到300 mm。