某超高层剪力墙结构设计
2020-08-11杨胜志冯健
杨胜志，冯健
（青岛腾远设计事务所有限公司，山东青岛266000）
1 工程概况
本项目位于山东省青岛市，地上建筑面积约6×104m2，结构形式为剪力墙结构，屋顶标高165.4m。平面尺寸65m×20m，结构高宽比偏大，属于超B级高度结构。
本项目平面为2个矩形平面叠加在一起，如图1所示，重叠区域最小净宽度为19m，平面不规则类型属于角部重叠型。重叠区大部分楼板因电梯及楼梯开洞，导致重叠区连接较薄弱，因此，在重叠区布置较多剪力墙以补强重叠区的刚度。
首层存在局部剪力墙不落地，需要托转，属于局部转换结构。
2 结构布置
根据建筑平面，交通核范围设置剪力墙，交通核范围之外，横向填充墙位置设置剪力墙，纵向在窗间墙位置设置剪力墙，2个方向墙的长度及墙的数量保证2个方向结构刚度接近[1]。本项目结构布置较规则，传力方式较明确。
图1结构平面图
3 结构计算分析
青岛50年重现期基本风压为W0=0.60kPa，地面粗糙度类别为B类。体形系数按照规范要求应为1.4。考虑周边建筑的互相干扰因素和角部重叠的平面不规则，风载体型系数按规范体型系数放大1.1倍取值，取1.54。
根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》，本场区抗震设防烈度按7度考虑，设计基本地震加速度为0.1g，地震设计分组为第三组，场地土类别为Ⅱ类，特征周期值为0.45s。
3.1 不规则类型及性能目标
本项目塔楼高度超过B级高度高层建筑150m限值，属于高度超限高层建筑。本项目存在的不规则类型有：（1）角部重叠型的平面，属于平面不规则；（2）位移角大于1.2，属于扭转不规则；（3）局部2片剪力墙在首层大堂不落地，属于局部转换。本工程设定结构抗震性能目标为C级。
3.2 小震弹性计算
结构计算的整体指标如表1所示。
表1 SATWE和MIDAS Building计算结果比较
计算结果表明，2个软件前六阶周期基本吻合，振动模态基本一致，第一扭转周期/第一平动周期=0.706，符合规范要求，说明结构扭转效应较小。结构计算所得刚重比=1.4，小于规范2.7限值要求，需考虑重力二阶效应。
3.3 小震弹性时程计算
按照地震波选取三要素：频谱特性、有效峰值和持续时间，并满足多组时程曲线的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响曲线在统计意义上相符的要求。选取II类场地（特征周期T=0.45s）上2组实际地震波和一组人工模拟的场地波进行弹性时程分析。
由时程分析结果，每条时程曲线计算所得结构底部剪力均大于振型分解反应谱法计算结果的65%，3条时程分析计算所得结构底部剪力的平均值大于振型分解反应谱法计算结果的80%，说明所选地震波满足规范要求。
3条地震波的楼层剪力包络值在部分楼层大于规范反应谱值，因此，应对规范反应谱进行放大，放大系数取1.12[2]。
3.4 中震计算
3.4.1 中震弹性
根据计算结果，框支柱、框支梁抗剪弹性、抗弯弹性，底部加强区剪力墙抗剪弹性，非底部加强区剪力墙抗剪弹性，可满足中震弹性的性能目标。
3.4.2 中震不屈服
根据计算结果，个别框架梁及连梁构件抗弯屈服，框架梁及连梁抗剪均不屈服，底部加强区及非底部加强区剪力墙抗弯不屈服，可满足中震不屈服的性能目标。
对相应构件按照中振弹性、中震不屈服和小震弹性计算结果进行包络设计，即可实现中震作用下构件抗震性能目标。
3.5 动力弹塑性计算
本工程采用PKPM-SAUSAGE软件进行动力弹塑性设计。计算结果显示，结构弹塑性位移及层间位移角曲线较光滑，无明显突变，表明各层刚度分布较均匀无明显的薄弱层。大震作用下3条波层间位移角最大值为1/184，满足规范限值要求。在考虑重力二阶效应条件下，在罕遇地震作用下结构最大顶点位移为65.6cm，满足“大震不倒”的设防要求。
从塑性损伤情况来看，连梁及部分框梁在大震作用下损伤较为严重，成为主要的耗能构件，剪力墙损伤较小，仅有少数墙肢在截面尺寸变化处发生受压损伤，符合“强柱弱梁”的设计原则。底部加强区的剪力墙、框支梁、框支柱均未产生塑性损伤。
楼板开洞周围出现轻度受压损坏，损伤范围小于楼板宽度的50%。根据楼板损伤情况，采取加厚楼板及提高楼板配筋率的措施，以提高局部楼板的承载力。
4 结论
本项目为超B级高度的超高层建筑，存在角部重叠的平面不规则、扭转不规则及局部转换等不规则类型。
针对超B级高度高层结构，采取提高抗震构造的加强措施，底部加强区剪力墙抗震构造措施提高至特一级。通过增大构件的纵筋配筋率及体积配箍率，提高构件的延性；对局部转换的框支梁、框支柱内设型钢，提高构件延性，并按中震弹性、大震不屈服设计；对于较薄弱的角部重叠区域增设剪力墙，形成封闭筒体，开洞周边板厚加厚，配筋率加大。
通过抗震性能设计及采取增加结构延性的措施，实现了“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设防目标。
