某超限高层剪力墙结构抗震分析与设计

鲁晓旭 王晓庆

中国核电工程有限公司郑州分公司（450052）

1 工程概况

该工程为郑州金水万达中心1号楼，位于郑州市金水区科新路与农科路交汇处，其±0.00对应绝对标高为92.800，采用钢筋混凝土剪力墙结构，地下两层，-2层、-1层层高分别为3.7 m、4.66 m，其功能为车库及设备用房；地上部分三个单元通过设置防震缝断开，总建筑面积约4.6万m2，建筑形态为超高层住宅楼及附属商业，1～3层层高分别为4.9 m、4.9 m、3.55 m，4层及以上为标准层，层高均为3.15 m，其中左单元和中单元结构主体高度142.8 m；右单元结构主体高度115.66 m，屋面上部造型高度约20 m，建筑效果如图1所示。

图1 郑州金水万达中心1号楼

结构抗震设防类别为标准类设防（丙类）1，设计基准期为50年，建筑抗震烈度为7度（0.15 g），设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅲ类，特征周期Tg为0.55 s，弹性分析结构阻尼比为0.05，周期折减系数取0.95；位移计算采用50年一遇基本风压ω0=0.45 kN/m2，承载力设计时其风荷载取基本风压值ω0的1.1倍，舒适度验算时取10年一遇风压值0.30 kN/m2，地面粗糙度类别为C类，结构的体型系数为1.40。

2 结构体系及主要构件截面

2.1 结构体系及典型平面

根据工程特点，结构塔楼采用剪力墙结构体系，楼盖采用普通钢筋混凝土梁板体系，主要楼层结构布置如图2～图4所示。

图2 二层楼面结构平面布置图

图3 三层楼面结构平面布置图

图4 标准层楼面结构平面布置图

2.2 结构主要构件截面

剪力墙、框架梁截面及混凝土等级见表1。

表1 剪力墙、框架梁截面及混凝土等级

2.3 楼板厚度

结构采用钢筋混凝土梁板体系，根据结构特点及各种抗震需要加强的部位，其各楼层主要楼板厚度取值如下:

-1层楼板120 mm；1层楼板180 mm；

左单元:2层楼板130 mm；3层楼板180 mm；4层楼板130 mm；4层以上主要楼板厚100 mm；屋面楼板120 mm。

中单元:2层楼板130 mm；3层以上主要楼板厚100 mm；屋面楼板120 mm。

3 工程特点

3.1 场地地震安全性评价

拟建场地《场地地震安全性评价报告》中给出了三个不同概率设防水准的地面设计地震影响系数公式:

式中T1和Tg为谱的拐点周期，其中Tg也称为特征周期，βm为谱的最大值，γ为衰减指数，T为工程结构周期，相应参数取值见表2。

表2 场地地震安全相关参数取值

通过地震反应谱进行比较，与安评场地反应谱的峰值比较高，但是长周期段下降比较快，低于规范反应谱，根据计算分析结果给出结构前三个周期和第五周期处的比较，对左单元其场地反应谱结果与规范反应谱结果的比值分别为81.5%、85.7%、97.8%和106.4%，第一阶振型在X方向占该方向基底总剪力的比例为72.2%，第二阶振型在Y向占该方向基底总剪力的比例为57.6%，第五阶振型在Y向占该方向基底总剪力的比例为69.3%；对中单元其场地反应谱结果与规范反应谱结果的比值分别为81.5%、83.3%、97.9%和107.7%，第一阶振型Y向占该方向基底总剪力的比例为54.0%，第五阶振型在Y向占该方向基底总剪力的比例为74.0%，第二阶振型在X向占该方向基底总剪力的比例为72.4%；为考虑高阶振型的影响，设计中应取规范反应谱及安评反应谱同时输入进行小震计算，取两者的包络值进行配筋设计。本工程结构周期较长，按安评场地谱计算地震作用偏小，设计中在选择预期水准的地震作用设计参数时，中震和大震仍采用国家规范规定的设计地震动参数及地震反应谱曲线。

3.2 建筑结构特点

1）左单元和中单元主体结构高度142.8 m，超出《高规》规定7度区A级高度限值，但不超B级高度限值；右单元主体结构高度115.66 m，在A级高度范围内，不超限[1-3]。

2）左单元高宽比为7.8，中单元为8.2，右单元为7.4，均超出《高规》规定7度区剪力墙结构最大高宽比限值6。

3）左、中单元建筑门厅设置两层通高，造成左单元二层开洞面积约21.16%及局部穿层墙，且需对个别上部墙体进行局部转换；中单元二层开洞面积约24.79%及局部穿层墙。

4）建筑底部设置两层裙房造成塔楼偏心，左单元X向偏心率为12.40%，Y向偏心率为8.7%；中单元X向无偏心，Y向偏心率为5.7%；右单元主楼与商业设缝分开，不存在塔楼偏心。

3.3 超限类别判定

依据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》3，结合结构的平立面布置和多遇地震下的弹性反应谱计算结果，判定左单元和中单元为超A级高度，但不超过B级高度的基本规则结构；右单元不超限。

4 结构分析

4.1 小震弹性分析

对超限的左单元和中单元分别采用SETWE和ETABS软件分别进行独立计算并分析对比，其主要计算结果如下:

4.1.1 结构周期和振型

左单元:结构的周期比为1.651/3.229=0.51（SATWE），1.472/3.098=0.48（ETABS），均满足规范限值0.85的要求。

中单元:结构的周期比为1.395/3.095=0.45（SATWE），1.471 8/3.098 0=0.48（ETABS），均满足规范限值0.85的要求。

4.1.2 结构位移角和位移比

小震作用下，左单元和中单元结构的最大位移角分别为1/102 2（X向）、1/103 6（Y向），位移比最大为1.18，均能够满足规范要求。

4.1.3 基底剪力和倾覆弯矩

表3 地震作用下的基底剪力和倾覆弯矩

4.1.4 小震弹性时程分析

本工程选择5组天然地震波和2组人工波进行结构分析。选取的地震波与加速度相应的反应谱曲线对比如图5所示，其水平向对应的加速度峰值取55 cm/s2，双向输入。

SATWE和ETABS时程分析与反应谱计算结果分析:

1）对于各地震波及反应谱计算的基底剪力，每条地震波计算的结果与反应谱法的结果比值均能保证在65%～135%；平均值与反应谱法结果比值能够保证在80%～120%，选波能够满足要求。

2）楼层剪力的分布情况为在下部楼层反应谱法计算楼层剪力大于时程分析结果平均值，但在上部局部楼层略小于时程分析结果，原因对于顶部楼层反应谱法不能较好的反映高振型的影响，需结合时程分析结果，对顶部部分楼层的地震作用适当放大。对左单元:X向地震作用和Y向地震作用下不再进行放大；对中单元:X向地震作用下38～44层放大系数为1.10，Y向地震作用下35～44层放大系数为1.2。

3）楼层倾覆弯矩以及楼层位移分布，反应谱法结果大于时程分析结果平均值，且分布规律相似。

4）结构层间位移角曲线平滑，时程分析法和反应谱法计算结果相似，且反应谱法计算结果略大于时程分析结果平均值。

综合所述，反应谱法与时程分析法的计算结果基本一致，反映谱法能够较好反映出该结构在地震下的响应状况，时程分析法能够对反应谱分析做出较好的补充。

4.2 大震弹塑性分析

对左单元和中单元的X向和Y向分别进行了大震下的pushover分析，结果显示左单元X向和Y向的性能点对应最大层间位移角为1/122（39层）和1/136（28层），中单元X向和Y向的性能点对应最大层间位移角为1/124（19层）和1/153（29层），均小于规范限值1/120，可以实现大震不倒的目标，其能力谱曲线穿过需求谱曲线后呈继续上升状态，说明结构具备继续承载的能力。

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5 结构设计

5.1 地基基础设计

本工程采用桩筏基础，设计等级为甲级，桩基础采用钢筋混凝土灌注桩，桩径0.8 m，有效桩长25 m，采用桩端和桩侧复式后注浆提高单桩承载力，现场通过试桩得到单桩承载力特征值为6 000 kN；筏板厚度取2.0 m。本工程左、中单元结构高度与右单元不同，设计中保持有效桩长不变，通过调整桩间距控制基础差异沉降，实现基础变刚度调平设计。

5.2 上部结构设计

5.2.1 性能目标

本工程采用抗震性能化设计方法，针对结构高度超限、2层楼板局部大开洞以及存在的局部转换等情况，提高关键和重要部位构件的抗震承载力，确保整体结构能够达到抗震性能目标C。具体抗震性能指标见表4。

表4 结构抗震性能目标

5.2.2 设计措施

1）采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算，取振型分解反应谱法和时程分析法结果进行包络设计，确保结构在小震下能够做到安全可靠。

2）控制墙体的轴压比在0.5以内，提升结构的延性，对1～2层大堂局部穿层墙按中震弹性设计，验算墙体的稳定性。

3）对大开洞周边楼板板厚取130 mm，按照弹性楼板进行计算，并按中震应力分析结果进行双层双向配筋，且楼板配筋率不小于0.25%。

4）针对左单元存在的个别墙体转换，采取以下加强措施:转换梁采用型钢混凝土梁，转换梁及相关范围内上部两层墙体按照中震下的应力进行配筋校核，控制转换梁在大震下的剪压比，转换构件所在的第3层楼板转换层楼板构造要求进行加强，板厚取180 mm，按照弹性楼板进行计算，并按中震应力分析结果进行双层双向配筋，且楼板配筋率不小于0.25%。

5）进行结构静力弹塑性分析，找出结构的薄弱部位，验算其变形能力和抗震性能，确保结构达到预期的抗震性能目标。

6）对结构进行抗风计算，计算结构在风荷载作用下的基底剪力、倾覆弯矩、位移，并进行结构顶点加速度计算，验算结构舒适度。

7）针对2层洞口周边楼板、左单元转换构件及周边楼板的进行中震下的有限元应力分析，根据应力分析结果校核配筋。

8）对局部出屋面的结构，提高其抗震构造措施，尤其是与主体结构连接的构造措施[4]。

6 结语

通过以上抗震概念设计，结构小震、中震和大震计算分析，以上分析结果表明结构的主要控制参数均在合理的范围内，针对存在的不利因素采取相应的设计措施后，可以确保结构实现预期的抗震性能目标。