长沙某超高层结构抗震性能设计

2018-05-10李练兵莫林辉

建材与装饰 2018年18期

关键词：剪力振型剪力墙

李练兵潘艳莫林辉

1 工程概况

本工程位于长沙市开福区，湘雅路与芙蓉中路交汇处的东北角，总建筑面积约46万m2。

本项目设有四层地下室，1栋超高层公寓（46层）和10栋超高层住宅塔楼（56～57层）。其中裙房商业两至三层，超高层住宅塔楼结构主体高度为179.220～181.980m左右，均为剪力墙结构。

各塔楼均为为超B级高度建筑。由于各栋塔楼类型相似，本文以高宽比较大的1#B座为代表，进行结构分析，其余栋采用相同的分析方法。

2 设计条件和参数

本工程设计基准期及设计使用年限为50年，设计安全等级为二级，抗震设防类别为标准设防类（丙类），抗震设防烈度为Ⅵ度（0.05g），设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类，场地多遇地震的特征周期为0.35s，罕遇地震的特征周期为 0.40s[1，2]。

本工程设计采用《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）计算风荷载。根据规范要求，进行风荷载作用下位移计算时采用长沙市50年一遇的基本风压值0.35kPa；在进行构件承载力计算时，按基本风压乘以1.1考虑，即0.385kPa。地面粗糙度为C类。风荷载体型系数取1.4。计算时考虑顺风向与横风向风振效应[3]。

风荷载作用下舒适度验算时，采用《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）规定的10年一遇风荷载标准值0.25kPa，计算时结构阻尼比取0.02。

3 结构体系和布置

本工程塔楼以地下室顶板作为主体结构嵌固端，结构高宽比11.73。根据工程特点，塔楼采用纯剪力墙结构体系。

本工程剪力墙布置尽量满足建筑使用功能要求，1#B栋基础顶至第五层主要剪力墙墙厚400或350，两端山墙剪力墙墙厚400到顶，六层及以上主要剪力墙墙厚300，个别墙厚根据轴力为300-250-200。剪力墙混凝土强度等级由C60逐渐递减至C35。

1#B栋剪力墙平面布置详见图1所示。

图1 1#B标准层结构布置图

为尽量保证住宅楼内部净高，住宅内部主梁梁高采用400～600mm。梁混凝土强度等级C30。楼板厚度一般由计算确定，最小厚度100mm，根据板跨度100～140mm；结构弱连接部位板厚140mm；屋面及机房层顶板厚120mm。楼板混凝土强度等级C30。

4 结构超限分析和对策

4.1 结构超限分析

本工程1#B座主体屋顶高度为181.980m，超过规范B级高度部剪力墙结构限值（170m）11.98m，超限值高度7.0%，属于超B级高度建筑。

除高度超限外，根据《全国超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》[4]相关规定，本工程还存大如下超限情况：①平面不规则：本工程考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2，属扭转不规则；②楼板不连续：奇数层楼板开大洞，楼板有效宽度小于50%，开洞面积大于30%，错层大于梁高。

根据上述分析，本工程为超B级高度，一般规则性超限项为二项，无特别不规则项，属于高度超限、不规则超限的高层建筑，需进行超限抗震专项审查。

4.2 结构抗震性能目标

综合考虑本工程抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构自身特性、经济性和安全性等因素，本工程的结构抗震性能目标拟定为C类。

4.3 抗震加强措施

针对超限情况，结合本工程特点，在结构抗震构造方面采取了一系列的措施，确保抗震性能目标的实现，保证结构的安全。

在结构抗震构造方面采取的加强措施主要有：①加强穿层剪力墙墙身配筋率不小于0.5%，墙厚不小于300；②由于结构超B级高度，底部五层剪力墙在满足规范稳定性要求的前提下均适当加强，主要剪力墙厚度均不小于350mm；控制底部加强区剪力墙轴压比不大于0.55，加强剪力墙底部加强区墙身配筋率至0.35%；③三层约束边缘构件层以上两层设置过渡层，抗震等级按二级，其边缘构件竖向钢筋配筋率采用1.0%，体积配箍率特征值取0.15，剪力墙墙身配筋率0.30%；④奇数层及避难层开洞区域一侧板厚加厚至120～140并双层双向布筋。

5 结构弹性分析

5.1 计算分析概述

结构弹性阶段（多遇地震）的设计分析采用北京盈建科软件股份有限公司YJK、北京迈达斯技术有限公司的MIDAS/building软件分别进行计算。

分析中考虑了偶然偏心和双向地震作用，振型组合方法采用考虑扭转耦连的CQC方法，考虑本工程隔墙情况，周期折减系数为0.85，结构阻尼比取值为0.05，连梁刚度折减系数取值为0.7，按规范要求考虑重力二阶效应。

5.2 结构周期与振型

两种软件计算得到结构第1振型、第2振型均为平动振型，第三振型为扭转振型，且计算结果接近。YJK计算的T1=4.938s，T2=4.889s，Tt=4.889s，结构第1扭转振型与第1平动振型的比值，YJK计算结构为0.44，MIDAS的计算结果是0.44，均小于规范限值0.85。

5.3 结构主要指标参数

多遇地震和风荷载作用下，计算得到的结构。

主要指标参数结果见表1。可以看出，两种软件的分析结构比较接近，最大层间位移角及位移比均满足规范要求且有较大富余，说明结构整体刚度较大。X向和Y向风荷载作用下的基底剪力均大于地震作用下基底剪力，结构指标为风控。

在重力荷载代表值与多遇地震水平地震及风荷载标准值共同作用下，满足《高规》12.1.7条结构高宽比大于4时基础底面不宜出现零应力区的规定，且多遇地震下抗倾覆弯矩比值远大于3.0，表明多遇地震下结构的抗倾覆能力具有足够的安全储备。

表1 结构主要指标参数

5.4 弹性时程分析

采用YJK对塔楼进行小震弹性时程分析，以作为结构小震反应谱分析的补充计算。

本工程弹性时程分析采用3条地震波输入，2条为地面加速度记录时程TAI02769、USA00622，另1条为场地人工波RH4TG035。调整后各波峰值加速度为18gal，主次方向的有效峰值加速度比为1：0.85。弹性时程分析结果略。

弹性时程分析结果表明：①每条时程曲线计算所得结构基底剪力均大于振型分解反应谱法的65%；三条时程曲线计算所得结构基底剪力的平均值大于振型分解反应谱法的80%，地震波的选择满足规范要求。②结构在地震作用下的基底剪力大多数均小于CQC法的楼层基底剪力值。个别地震波顶部楼层地震剪力略大于CQC法，但超出幅度未大于5%，可以采用CQC法计算结构地震力。③3组时程分析的最大层间位移角均小于CQC计算结果，且结构最大层间位移角均满足规范要求。

6 罕遇地震作用下动力弹塑性分析

本工程为超限高层结构，根据规范要求和既定抗震性能目标，应进行大震弹塑性分析。本工程设计中，采用广州建研数力建筑科技有限公司开发的PKPM-SAUSAGE（PKPM Seismic Analysis Usage），对塔楼进行了罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析。

弹塑性时程分析时，选用一条人工地震波，两条天然地震波。人工波选用特征周期为0.40S对应的地震波RH1TG040，天然波采用TH101TG040，TH052TG040。本项目不考虑竖向地震作用，地震波采用双向输入，输入主方向峰值加速度按规范调整取为125gal。主方向与次方向峰值的比值为1：0.85。

由大震弹塑性计算结果可知，在选取的三组罕遇地震波弹塑性时程分析中，X向最大层间位移角出现在人工波RH1TG040作用下，其值达到1/291，出现在第22层，Y向最大层间位移角亦出现在人工波RH1TG040作用下，其值为1/279，出现在第41层，均满足规范限值1/120的要求，两向顶点位移峰值最大值分别为479mm和513mm，结构未出现倒塌现象，实现了大震不倒的设防目标。小震反应谱作用下的基底剪力（考虑到一层底）X向和Y向分别为2446kN和2734kN，各组地震波作用下的最大基底剪力，X向和Y向分别达到14031kN和17661kN，分别为小震反应谱作用下的5.73倍和6.46倍。结果表明大震作下的基底剪力与小震下的基底剪力比值偏大，说明结构偏刚，结构布置因高宽比较大而由风荷载控制，地震作用下结构偏安全。

图2人工波R1作用下构件的性能水平

图2 为人工波1作用下剪力墙和连梁和框架梁等耗能构件的损伤情况。在大震作用下，剪力墙绝大部分无损坏，少部分出现了轻微损坏，极少部分出现了轻度损坏，无任何重度损坏及严重损坏，底部加强区剪力墙绝大部分无损坏，局部出现轻微损坏，满足性能目标要求。连梁和框架梁在大震下损伤耗能效果明显，部分出现了轻微损坏及轻度损坏，小部分出现了中度损坏及重度损坏，甚至部分出现严重损坏，耗能作用明显，满足性能目标要求[4]。