大高宽比剪力墙结构超高层建筑结构分析

裴学军（昆明恒基建设工程施工图审查中心 云南 昆明 650000）

叶川（重庆大学建筑规划设计总院有限公司 重庆 400045）

关键字：大高宽比；剪力墙结构；超高层；结构分析；回转半径；墙肢名义拉应力

0 引言

《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称《高规》）第3.3.2 条要求钢筋混凝土高层建筑结构的高宽比不宜超过表3.3.2 的规定[1]，在条文说明中对适用情况又做了如下规定：在结构承载力、稳定、抗倾覆、变形和舒适度等基本满足规范要求的情况下，对满足高宽比限值要求采用的是“宜”，而不是“应”。此外，住房城乡建设部建质[2015]67 号《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》中要求：高宽比较大时，应注意复核地震下地基基础的承载力和稳定。本文应此要求对某大高宽比剪力墙结构超高层建筑进行了抗震性能分析，对此类结构提出一些控制性要求。

1 工程概况

该工程地下2 层，地上39 层，平面近似“L”字形，总长度40.80m，最窄处宽度为10.10m，最宽处宽度为24.85m，大屋面标高116.7m，为超高层住宅楼。抗震设防烈度为8 度（0.2g）第三组，抗震设防类别为丙类，Ⅲ类建筑场地类别，设计特征周期为0.65s，剪力墙抗震等级为一级。墙柱混 凝 土 等 级 C60 ～C40， 钢 筋 采 用 HRB400、HRB500，结构安全等级为二级，设计使用年限为50 年。标准层结构平面详见图1。

图1 标准层结构平面布置图

2 高宽比

该工程平面近似“L”字形，结构的宽度如何取值？如按所考虑方向的最小宽度（10.1m）取值，由于建筑L 型内平面布置呈锯齿状，沿纵向的长宽比不唯一，不能完全体现与刚度关联的原则。根据《高规》JGJ 3-2010 第3.3.2 条条文说明，“对于不宜采用最小宽度计算高宽比的情况，设计人员应根据实际情况确定合理的计算方法”；此外，王亚勇先生在《建筑抗震设计规范疑问解答》中也讲了对最小宽度的理解。“结构平面宽度可按该平面各水平方向的最小投影宽度计算，如L 形平面的水平方向最小投影宽度指相应直角三角形斜边的高度”；根据广东省标准DBJ 15-92-2013《高层建筑混凝土结构技术规程》介绍的计算高宽比的方法：当建筑平面为非矩形时，结构的宽度可取平面的等效宽度（B），即B=3.5r，其中r 为建筑平面最小回转半径。引入回转半径，体现了等效宽度与结构侧向刚度的关联性，是计算复杂平面结构高宽比较合理的计算方法。本工程按3.5 回转半径计算等效高宽比为6.20.

3 超限情况

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（建质[2015]67 号）规定，该工程属于高度超限，需进行抗震专项审查，超限情况如下：

（1）建筑总高度116.7m，超过A 级高度高层建筑最大高度100m；

（2）根据YJK 计算结果，考虑偶然偏心规定水平力作用下Y 方向最大位移与层平均位移的比值为1.27，大于1.20，根据《高规》3.4.5 条，不规则项为平面扭转不规则；

（3）高宽比6.20，超过《高规》表3.3.2 中的限值要求。

4 结构计算分析

根据建筑抗震设计的三水准原则确定抗震性能目标，小震作用下进行结构整体弹性计算、弹性时程分析补充计算，中震进行结构不屈服和弹性计算。上部结构嵌固端为地下室顶板，嵌固刚度比满足规范要求。

4.1 小震作用分析

采用YJK（1.9.3 版）软件进行计算分析，用PMSAP程序进行对比分析。结构形式为剪力墙结构，考虑偶然偏心地震作用、扭转偶联，结构材料强度采用设计值，荷载、地震作用及风荷载计入分项系数，结构计算结果见表1。

表1 结构计算结果

计算结果表明，主要计算指标均满足规范、规程要求，满足小震下的性能目标，结构体系选择恰当。

4.2 中震作用分析

采用中震不屈服计算。程序计算中活荷载组合系数取0.50，周期折减计算取1.0，连梁刚度折减系数取0.4，不考虑内力调整系数和抗震承载力调整系数、荷载和地震作用分项系数，材料强度采用标准值。

4.2.1 结构整体稳定和抗倾覆验算

计算资料显示X、Y 向刚重比分别为8.68、5.96，大于1.4，能够通过《高规》5.4.4 条的整体稳定验算，大于2.7，满足《高规》5.4.1 条，可不考虑重力二阶效应。

抗倾覆验算：X、Y 抗倾覆力矩分别为1.417x107、6.894x106kNm，倾覆力矩分别为4.948 x106、4.495 x106kNm，基底零应力区面积比分别为2.3%、47.8%，Y 向不满足《高规》12.1.7 条的规定。设计将地下室输入计算模型并将基础平面范围自主体向外扩2～3 跨，适当增加塔楼周边的构造剪力墙的数量，基底未出现零应力区，满足设计要求。

4.2.2 墙肢受拉情况

钢筋混凝土剪力墙出现偏小受拉时，如果混凝土出现开裂会降低剪力墙抗剪承载力，使抗侧刚度退化，对结构不利。读取YJK 软件中震作用下墙肢各工况标注内力，统计1.0 恒+0.5 活+1.0E中震作用下墙肢受拉情况分别为：

（1）X 向地震作用下，剪力墙底部加强区Y、W 等轴线上的横墙墙肢受拉，其余层均受压；

（2） Y 向地震作用下，剪力墙底部加强区1、4、33 等轴线上的纵墙墙肢受拉，地上4～7 层部分纵墙墙肢受拉，其余层均受压；

（3）地震作用下墙肢拉力自下至上逐层减小。

根据计算统计，墙肢在地震作用下底部墙肢最大拉力为10 538kN，墙肢全截面由轴向力产生的平均名义拉应力为5.26N/mm2，超过C60 混凝土抗拉强度标准值，根据云南省建筑结构专业委员会的意见，中震下的墙肢名义拉应力处于1～2倍ftk，应由型钢承担全部拉应力；墙肢名义拉应力大于2 倍并小于2.5 倍ftk 时，保证含钢率不小于4%；墙肢名义拉应力大于2.5 倍并小于3 倍ftk 时，保证含钢率不小于5%。设置型钢可按弹性模量换算考虑型钢和钢板的作用。

式中：N地为地震作用拉力；N恒为恒载产生拉力；N活为活载拉力；ftk为混凝土轴心抗拉强度标准值；fy 为型钢抗拉强度设计值；A混凝土为剪力墙墙肢截面面积；E型钢为型钢的弹性模量；E混凝土为混凝土的弹性模量。

采取加强措施后，中震作用下剪力墙抗拉和抗裂性能增强，开裂有限，可满足中震轻微损坏的抗震性能目标。对个别超筋连梁采取增设H 型钢暗梁的措施以提高其抗剪承载力；对跨高比不小于2.5 的连梁，则采用设置交叉斜筋，适当提高其延性，保证中震抗剪不屈服性能。

5 关键技术问题和设计措施

该工程高宽比超出了高规的规定，在这种体型复杂的高层建筑中，除高宽比的计算根据实际情况采取符合实际的计算方法，优化剪力墙的布置外，还采取以下措施：

（1）控制结构规则性；

（2） 严格控制剪力墙轴压比，剪力墙轴压比均不超过0.5；

（3）严格按照《高规》7.2.14-3 及7.2.15～16 条有关B 级高度过渡层及边缘构件的配箍和配筋率的有关要求进行加强。对构造边缘构件纵向配筋率，过渡层提高为1.0%，配箍特征值按约束边缘构件的80%控制，其余位置按“高规”构造配筋；

（4） 底部加强区竖向构件为结构重要构件，为了保证结构有更好的延性，底部加强区剪力墙在中震下出现偏拉时，按整墙全截面验算后名义拉应力大于1.0ftk 时内设置型钢，型钢下延至夹层，且含钢率按4%控制；

（5） 抗倾覆稳定问题采取计算时考虑主楼地下室的相关范围，范围为主楼外两跨，桩基满足承载力设计要求，不出现上拔力。

6 结语

该项目为超高层住宅楼，抗震设防烈度为8度（0.2g）第三组，且为高宽比超限的B 级高度超高层建筑。但经过精心的结构设计，如：一些合理的结构布置、准确和完整的参数选取和结构计算及验算、多程序的计算比对分析、采取了一系列必要的抗震构造加强措施，特别是对底部加强区等结构重点部位进行加强处理，不仅满足了建筑的使用要求，也使结构安全得到了保证。

综上所述，类似“超限”工程设计应注意以下几点：

（1） 对大高宽比剪力墙超高层建筑而言，除了需要满足小震作用下的抗倾覆稳定要求外，还需要考虑中震、大震作用下的抗倾覆稳定要求，需进行相关的验算。避免在小震、中震作用下基底出现零应力区；

（2） 控制墙肢在地震作用下的拉应力，根据墙肢名义拉应力的大小采取不同的措施，控制墙肢受拉区最大拉应力，以满足中震轻微损坏的性能目标；

（3） 对于墙肢受拉效应明显的外纵向墙肢，建议选用型钢-混凝土组合构件；

（4） 值得注意的是：虽然大高宽比剪力墙超高层建筑通过采取抗震性能设计和相应加强措施后，可满足结构安全度要求，但宜考虑工程造价的合理性。