重庆某超限高层剪力墙结构抗震分析与设计

【摘 要】重庆某超限高层工程均为剪力墙结构，其中2#楼建筑高度为153.6 m，属于超B级高度现浇钢筋混凝土剪力墙体系。根据其结构特点，根据小震、中震、大震下的弹性时程和弹塑性时程分析结果，对结构体系、剪力墙底部加强区、楼板等采取抗震加强措施。

【关键词】超限高层; 剪力墙结构; 弹性时程; 弹塑性时程分析

【中图分类号】TU352.11 【文献标志码】A

1 工程概况

该项目位于重庆市江北区，由7栋46F～30F/-3F及2F～4F商业裙楼建筑物组成，总建筑面积约310 000 m2。其中，1#、2#、6#、7#楼为超高层住宅，采用剪力墙结构;1#、2#、6#楼地上46层，地下3层;7#楼地上40层，地下3层;地下车库为地下3层，采用框架结构。地下车库层高负一层为3.8 m，负二层和负三层为3.75 m。本文仅以2#楼为例介绍其结构设计，图1为建筑效果图，图2为剖面图，图3为结构三维模型图。

2 结构形式

2#楼采用钢筋混凝土剪力墙体系，设计使用年限为50 a，结构总高度为153.6 m，结构安全等级为二级，抗震设防烈度为6度，抗震设防类别为标准设防类（丙类），设计地震分组为第一组，场类别为Ⅲ类，地面粗糙度为C类，50 a重现期基本风压取为0.44 kN/m2，结构平面布置图如图4所示。

3 结构超限分析

3.1 结构超限判定

2#为剪力墙结构，结构高度为153.6 m，设计基本加速度值为0.05g，场地特征周期为0.45 S， 根据JGJ 3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》以下简称《高规》以及重庆相关规范判定属于超B级高度建筑，高度已经超限，此外楼板还存在大开洞，造成楼板不连续;并且还产生了局部不规则，个别楼层扭转位移比略大于1.2，都对结构的抗震性能有不利的影响。

3.2 结构抗震性能目标

本工程存在多处超限，除按照规范规定的要求及目标进行计算和设计，对结构进行基于性能的抗震设计，提出性能水准，即《高规》中规定的性能目标D级，即要求小震下达到第1性能水准，中震下达到第4性能水准，大震下达到第5性能水准。同时，为了更严格地保证关键部位的安全，将结构中“关键构件”的抗震性能目标提升为C级，如表1所示。

4 结构分析

4.1 小震分析

依据《高规》的要求，本工程进行结构整体计算时需要采用两种不同力学模型的结构分析软件，并应添加弹性时程分析。因此，本工程采用了YJK（V2016）和ETABS（V9.7.4）两个软件分别进行结构整体弹性计算和时程分析。

4.1.1 弹性分析

YJK和ERABS弹性计算结果如表2、表3所示。

由YJK和ETABS的计算结果分析表明，两个软件计算出的结构响应基本一致，进一步对比验证了所建模型的正确性。结构扭转效应满足规范中关于周期比的要求;即最大层间位移角均未超过1/1000的限值，结果满足规范要求。

4.1.2 弹性时程分析

根据《高规》规定，在多遇地震下对结构应添加时程分析法的计算。本工程将考虑双向地震输入，地震输入点在模型与基础承台面的节点处，地震方向将沿模型第一和第二模态变形方向即X、Y向。选取了6条天然波及2条人工波进行计算，对选用的地震记录加速度峰值进行调幅，使峰值加速度等于多遇地震加速度峰值0.207 m/s2。时程分析的底部剪力与反应谱剪力如表4所示。

由各层的地震剪力分析结果可得：本工程时程法层间位移、层间位移角及楼层剪力等指标的变化规律与反应谱法基本一致，地震作用效应取反应谱计算结果与时程法计算结果平均值中的较大值，后期设计需放大楼层的地震层剪力。

4.2 中震分析

本工程为了达到D级性能目标及相应的抗震性能水准，需要加强关键构件（如底部加强区剪力墙等构件）的抗震性能，根据超限的情况，应对关键构件的稳定性和承载能力提出更高要求（C级），以提高其抗震性能。因此，以中震不屈服的目标采用YJK进行计算，来判断在中震作用下关键部位、构件不发生屈服（表5）。结构阻尼比取0.05，地震影响系数最大值为0.12，连梁折减系数为0.6。

楼层位移计算结果由表5可知，最大层间位移角小于GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》对中震下抗震性能水准4的位移角限值。因楼板存在开洞，根据规范的要求，为避免应力集中，能可靠的传递水平地震力，对中震作用下的楼板应力用计算软件YJK分析，主要的楼板应力云图如图5、图6所示。

中震作用时，结构的楼板最大主拉应力出现在X向地震工况及Y向地震工况下第2层，为4.8 MPa;本工程楼板混凝土强度均为C30，而C30混凝土抗压强度标准值為20.1 MPa。结构所有楼层楼板的压应力均小于楼板混凝土的抗压强度，但在楼板开洞周边以及收进部位出现应力集中现象，宜适当提高板配筋率。

4.3大震分析

根据规范需验算在罕遇地震作用下的结构弹塑性变形;采用SAUSAGE动力时程分析方法。采用SAUSAGE程序进行动力时程弹塑性分析的计算模型与SATWE分析模型基本一致。并且选取了两条天然波和一条人工波分别以X为主方向、Y为主方向进行了双向地震动输入的大震弹塑性时程分析。大震弹塑性分析的主要指标如表6所示，竖向构件（剪力墙）的损伤如图7所示。

在罕遇地震作用下，分析结构弹塑性结果可知：

（1）整栋楼的最大层间位移角与各层层间位移角均满足规范要求，绝大部分楼层层间位移角比较均匀，除了局部变化的楼层有突变。总体来说Y向的层间位移角与X向基本相当，主体结构及相关范围裙房各层间位移角满足规范1/120的限值与规范1/50的限值。

（2）竖向构件混凝土受拉损伤主要集中在1、2、3层的墙的底部和主体结构的连梁;受压损伤主要集中在底部几层的的墙肢处，且主要处于轻微损坏或轻度损坏状态，满足规范中对竖向构件的性能水准要求。

5 针对结构超限设计建议

（1）结构体系的加强。加强1层中连接塔楼与底盘的梁配筋，保证其在中、大震中的性能水准;

（2）针对扭转不规则的建议。考虑双向地震作用及偶然偏心进行计算;底部结构会出现扭转位移比较大的情况，对此设计时采取如下措施：（1）找到裙房中的產生扭转位移较大的柱，确定其为关键构件，并按正截面中震不屈服复核抗弯设计和斜截面中震弹性复核抗剪设计;（2）加大其四周梁的截面并加强配筋，来提高外围构件的刚度和强度，以此可以增强结构的抗扭性能。

（3）对剪力墙的加强。通过对底部加强区剪力墙中震、大震作用下截面承载力的验算结果，对底部部分剪力墙宜适当增大其截面厚度及加强其配筋，以满足其在大震下的正截面要求。

（4）对楼板的加强。当楼层内开洞面积过大时，需要考虑由于楼板面内变形所产生的不利结果，此时可按弹性膜来进行计算，并在中震作用下进行楼板的应力分析，由此得出板的配筋图，并在局部部位加强钢筋数量，并且加强楼板开洞面积较大楼层及相邻上层的楼板配筋。

（5）其他针对性的加强措施。对于地下室结构，设置后浇带或膨胀加强带的方法解决混凝土的干缩应力和早期温度变形，适当提高混凝土水平构件受力及贯通钢筋的用量，并配置构造抗裂钢筋，并考虑适当添加混凝土微膨胀剂等辅助措施，以改善混凝土抗裂性能。混凝土水平构件受力及贯通钢筋的用量，并配置构造抗裂钢筋，并考虑适当添加混凝土微膨胀剂等辅助措施，以改善混凝土抗裂性能。

6 结论

本工程根据结构超限程度及特殊问题进行了概念设计和抗震性能化设计，对于小震进行了弹性和弹性时程分析，也对中震、大震作用下的结构相应进行了分析，不仅对整体结构的体系和布置进行了加强，也对一些关键部位采取了抗震措施，实现了预定的抗震目标，供相关工程设计提供了参考。

参考文献

[1]JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2]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[S].2015.

[3]重庆市超限高层建筑工程界定规定（2016年版）[S].2016.

[4]GB 50011-2010 建筑抗震设计规范[S].

[5]姜新.某超高层剪力墙高位连体结构抗震性能分析[J].建筑结构，2018，48（5）：49-53

[6]刘鑫，刘伟庆，王曙光，等.不同弹塑性分析软件在超限高层建筑抗震性能分析中的联合应用研究[J].建筑结构学报，2013，34（11）：11-16.

[定稿日期]2021-02-03

[作者简介]陈植（1996～），男，硕士，从事结构抗震研究。