某部分框支剪力墙超限高层结构设计

付敏 谭毅 董杰祥

(中国建筑西南设计研究院有限公司，四川成都 610041)

1 工程概况及设计参数

该项目位于成都南部天府新城，为大源组团核心金融区与高端居住区的结合部。地上21层，地下3层，地面以上总高度为116.150 m，首层层高为 6.0 m，2 层层高为 5.0 m，3 层层高为5.6 m，4 层设备层层高为 3.3 m，11 层避难层层高为 3.3 m，标准层层高为5.8 m。建筑效果图如图1所示。标准层平面呈L形，X，Y 最大长度为65.8 m，宽度为18.6 m。结构高宽比6.2，平面凸出部位尺寸l/b=2.54。采用部分框支剪力墙结构。

图1 结构效果图

本工程设计基准期为50年，结构安全等级为二级(重要性系数为1.0);抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度峰值为0.10g，设计基本分组为第三组;抗震设防类别为标准设防类(丙类)。依据国家现行规范GB 50011-2010建筑抗震设计规范的规定，本工程水平向地震动参数(5%阻尼比)如表1所示。按GB 50009-2012建筑结构荷载规范，取基本风压(50年一遇)0.30 kN/m2，地面粗糙度为B类，参照L型截面体型系数取1.4，承载力设计时风荷载效应放大系数为1.1。

表1 《抗规》地震动参数

2 结构超限情况及抗震性能化设计目标

根据结构平面布置及程序分析结果，参照《超限高层建筑工程抗震设防管理规定》，本工程超限情况存在四点:

1)高度超限:主体结构高度为116.15 m，超过7度设防部分框支剪力墙A级高度限值(100 m)，属于B级高度高层建筑;

2)扭转不规则:在考虑偶然偏心影响的规定的水平力作用下，楼层最大弹性水平位移为1.33，大于该楼层两端弹性水平位移平均值的1.2倍;且楼层最大偏心率为0.3，大于了限值0.15;

3)平面不规则:长宽比L/B≤6，凸出部位尺寸l/B＞0.35，凸出部位l/b＞2;

4)竖向抗侧力构件不连续:第四结构层为转换层。本工程属于B级高度工程，一般不规则指标为三项，其中一项超过不规则指标较多，为特别不规则情况，因此根据BD51/T 5058-2008四川省抗震设防超限高层建筑工程界定标准的规定，本工程应进行抗震专项审查。

本工程采用的抗震总体性能目标:高于《高规》性能目标D，接近性能目标C。具体性能目标的设定详见表2。

表2 抗震性能目标［1］

3 结构抗震性能计算分析

1)计算程序及分析参数。

结构弹性阶段(多遇、设防地震)的设计分析采用SATWE，PMSAP(2010-09)和广厦软件GSSAP(16.0版)。弹塑性阶段分析(设防、罕遇地震)采用EPDA＆PUSH软件进行非线性静力及动力时程分析。计算地震作用时，活荷载组合值系数参照《建筑抗震设计规范》的相关规定考虑。计算模型中连梁刚度折减系数不小于 0.6，周期折减系数 0.90(小震)、0.95(中震)、1.0(大震)，梁端弯矩端负弯矩调幅系数取1.0，梁扭矩折减系数取0.4，中梁刚度放大系数按规范取值。计算中考虑P—Δ效应。

2)多遇地震下结构性能分析。

结构在多遇地震下的弹性反应谱分析地震动参数按规范取值，水平地震影响系数最大值0.08，特征周期Tg=0.45 s，结构阻尼比0.05。结构第一扭转周期和第一平动周期的比值小于规范限值0.85(B级高度)，表明结构扭转效应小。本工程楼层受剪承载力较为均匀。所有楼层受剪承载力比均大于0.8(最小值为0.92)，满足规范要求，无薄弱层存在。

本工程转换层位于第三层顶板，按《高规》第E.0.2条的规定计算的转换层与其相邻上层的侧向刚度比均大于0.6，按《高规》第E.0.3条规定计算的转换层下部结构与上部结构的等效侧移刚度比(SATWE计算结果)为0.96(X向)和1.20(Y向)，均大于0.8。刚重比大于 2.7，能够通过高规(5.4.4)的整体稳定验算，且可不考虑重力二阶效应。最大层间位移角为1/1 525，满足规范要求的1/1 000。最大位移比和最大层间位移比值均不大于1.40，满足规范要求。个别楼层剪重比小于规范大于1.6%的要求，需进行剪力调整。按规范要求对多遇地震作用下各框架承担的剪力进行调整:框架剪力调整取 Vi'=max(0.30V0，1.5Vfmax)，高于规范要求。型钢混凝土柱轴压比最大值为0.42，小于规范限值(特一级为0.55)。剪力墙最大轴压比0.49，也小于规范限值。

弹性时程分析根据拟建场地特性选取了2组天然地震波和1组人工波作为时程分析的输入。表3列出了多遇地震弹性时程分析所得结构底部剪力峰值与按照抗震规范地震动参数进行反应谱分析所得的底部剪力的对比情况，可见单组地震波输入所得的底部剪力峰值均在抗震规范反应谱法的65%～135%之间，3组地震波结果的平均值与抗震规范反应谱法结果之差在20%以内。

表3 时程分析底部剪力与反应谱法对比

3组地震波时程结果的平均值与CQC法的结果吻合较好，单组地震波计算所得的结构底部剪力峰值的最小值达到了反应谱法底部剪力的81%。X主向时3组地震波时程计算所得的结构最大层间位移角包络值为1/1 513，Y主向时该值为1/1 454，均小于按照规范规定计算所得限值1/1 000。

3)设防地震下结构性能分析。

采用SATWE进行结构的中震弹性和中震不屈服设计。场地特性参考《抗规》［2］规定取值，场地特征周期为0.45 s，水平地震影响系数最大值取为0.23(对应于5%阻尼比)。地震主分量加速度峰值取100 cm/s2，次分量峰值取85 cm/s2。设防地震反应谱分析得到X向最大层间位移角为1/597(层间位移为1.67倍弹性位移角限值)，位于第14层;Y向最大层间位移角为1/640(层间位移为1.56倍弹性位移角限值)，位于第14层，均小于性能目标设定的设防地震下层间位移角限值1/500。

设防地震作用下底部加强区剪力墙按斜截面抗剪弹性进行设计，且满足正截面承载力不屈服，详见《高规》［3］公式 3.11.3-1，3.11.3-2(简称公式(1)，(2))，计算表明剪力墙均能满足性能目标要求。设防地震作用下框支柱、框支梁斜截面承载力均按弹性设计，满足公式(1)要求;正截面承载力按不屈服设计，满足公式(2)要求，分析表明所有框支柱及框支梁均能满足以上公式的要求。设防地震下框架梁斜截面按不屈服设计，满足公式(2)要求，正截面大部分进入屈服阶段。计算表明钢筋混凝土连梁底部加强区斜截面承载力不屈服，满足公式(2);底部加强区以上满足受剪截面公式《高规》3.11.3-4要求。

4)罕遇地震下结构性能分析。

运用计算程序EPDA对结构进行动力弹塑性分析。罕遇地震非线性时程分析分别输入了3组水平双向地震波(N1，N2和A1)，参考《抗规》的规定，地震波水平方向主次分量加速度峰值的比值为 1∶0.85∶0.65，地震波主分量加速度峰值取 220 cm/s2，次分量峰值为187 cm/s2，竖向分量峰值为143 cm/s2。X向最大楼层层间位移角出现在 16层，达到1/218(层间位移为 0.61［Δup］);Y向最大楼层层间位移角为1/235(层间位移为0.57［Δup］)(16层)。罕遇地震下最大层间位移角均小于罕遇地震水准时结构性能目标所定限值1/200。

罕遇地震非线性时程分析表明:随着地面运动加速度的不断增大，钢筋混凝土连梁最先出现塑性铰。随后，剪力墙底部若干层墙体混凝土拉应力超过混凝土抗拉强度，出现了水平裂缝，大部分墙肢均不同程度受到损伤。大部分框架梁发生了受弯屈服，并且出现塑性铰，进入塑性阶段。型钢混凝土框支柱及转换梁承载力基本处于不屈服阶段。结构钢筋混凝土连梁多数产生了塑性铰，耗散了相当一部分地震输入能量，有较强的耗能能力。结构破坏模式和屈服机制合理，达到了预期的结构抗震性能目标。

4 抗震措施

根据计算分析的结果，采取以下抗震构造措施:

1)该结构框支柱大部分采用型钢柱，为保证框支柱有较高的延性，轴压比全高控制在不大于0.45，且按照规范的构造要求，框支柱在上部墙体范围内的纵向钢筋向上伸入上部墙体内一层;框支柱纵筋配筋率控制为不小于1.6%;

2)按照中震计算结果，适当加大墙肢边缘构件纵筋及墙肢竖向分布筋;

3)框支转换层楼板板厚为180 mm，双层双向配筋，配筋率不小于0.25%;转换层相邻上下楼层楼板厚度取为150 mm，双层双向配筋，配筋率不小于0.25%。对结构平面阴角部位以及应力较大部位加大楼板配筋，板筋按抗震构造锚固。

5 结语

本工程通过调整结构布置，减少二次转换，减少短肢剪力墙，有效避免了对结构产生的不利影响，有效提高了结构的抗侧、抗扭刚度，同时通过在多遇地震、设防地震及罕遇地震不同作用下的计算分析，发现了结构的薄弱部位，并采取了有针对性的抗震构造措施，有效的提高了结构的整体抗震性能，使得结构的整体抗震性能达到了性能化目标的要求。本工程的计算分析及构造措施可为类似工程提供借鉴。

［1］谭 毅，付 敏.南北楼抗震审查报告［R］.2012.

［2］GB 50011-2010，建筑抗震设计规范［S］.

［3］JGJ 3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程［S］.

［4］安兴宽.高层住宅框架剪力墙结构设计分析［J］.山西建筑，2012，38(1):37-38.