某超高层商住楼超限结构抗震性能分析

王文宇

（深圳市同济人建筑设计有限公司，广东 深圳 518000）

0 引言

随着时代的发展，塔楼建筑越来越高，多为上部居民住宅，下部商业裙房。这样的高楼，往往需通过结构转换实现其功能及效果上的需求[1-3]。目前转换结构高度多为100m以内，超B级高度的转换结构较少。本文以某超B级高度商住楼的框支剪力墙结构为例，进行相关超限结构抗震性能分析。

1 项目概述

1.1 基本情况

本项目位于深圳市罗湖区，总用地面积约1.7万m2，总建筑面积约18.6万m2。含3栋高层住宅塔楼及一栋三层幼儿园，下设三层地下室。A、B、C座住宅结构高度均为174.05m，属超B级高度结构。各塔楼通过3~4层的裙房相连，形成多塔结构。除核心筒剪力墙及极少数剪力墙向下延伸至基础外，其余剪力墙均在裙房顶的架空层进行转换，成为框支剪力墙结构。地下室为3~4层，埋深约15.5m。

1.2 结构布置

本项目三栋塔楼虽然平面形状存在差别，但根据《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），各塔楼的主要超限点基本一致，包括：高度174m超限；各塔楼标准层部分均存在部分楼层扭转位移比大于1.20；B、C座最大凹进尺寸大于相应边长30%；B、C座楼板有效宽度均小于50%；通过裙房不设缝相连，属多塔结构；竖向构件存在较大程度的转换。本项目三栋高层商住楼均属于超限结构，本文以A座为例分析其抗震性能。A座标准层及框支层平面图如图1、图2所示。

图1 A座标准层平面图

图2 A座转换层平面图

A座住宅共53层，标准层层高为2.9m，其中10层、26层、42层为避难层，层高4.0m。裙房三层，局部含夹层，四层为框支层，层高7.2m。塔楼高宽比约为6.3。转换层及以下墙厚600~400，标准层墙厚400~200。框支柱尺寸为1500×1500~1600×2150（含型钢），框支主梁尺寸为900×2000~2100×2000（含型钢），框支次梁尺寸为700×1800~1200×1800。

2 抗震性能目标与分析

2.1 抗震性能目标

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）（以下简称“高规”）第3.11节[1]，各栋塔楼选择抗震性能目标为C类。其中关键构件不同水准的抗震性能目标为多遇地震弹性，偶遇地震抗剪弹性、抗弯不屈服，罕遇地震抗剪不屈服、抗弯个别屈服。

2.2 抗震性能分析

2.2.1 多遇地震弹性分析

（1）反应谱分析。

本项目采用YJK与ETABS两个软件进行多遇地震与风荷载作用下的指标分析，并相互校核。结果显示两个软件的分析结果差值均在5%以内。

（2）弹性时程分析。

本项目采用弹性时程分析法进行补充计算。小震弹性阶段采用2条人工加速度时程波和5条天然加速度时程波进行分析。结果显示时程结果的底部剪力平均值与CQC结果相当，X、Y方向比值分别为1.01及0.99。反应谱分析的局部楼层剪力需根据时程分析结果进行放大，其中X向49~58层的楼层剪力放大倍数为1.02~1.08，Y向16~30层、38~58层的楼层剪力放大倍数为1.01~1.2。

（3）单、多塔对比。

三栋高层塔楼通过底部商业裙房相连，形成多塔结构。根据《高规》5.1.14条规定，多塔结构宜按整体模型和各塔楼分开的模型分别计算，并采用较不利的结果进行结构设计。单、多塔模型主要计算指标对比如表1所示。

表1 单、多塔指标对比

从表1可知，多塔模型与单塔模型计算结果基本一致，裙房对塔楼的整体指标影响较小。总体上，多塔模型中，塔楼的周期略有延长，楼层位移角略有加大，塔楼底部剪力与弯矩互有大小关系。裙房楼层的位移比按多塔模型计算更准确。对比单、多塔模型的构件配筋，结果大致相同，仅局部配筋相差在10%内，可判断在多遇地震和风作用荷载下，商业裙房大底盘多塔对结构整体和构件设计的影响相对较小。施工图中裙房按照多塔模型进行设计；裙房高度内塔楼根据多塔及单塔模型进行包络设计。裙房屋面为大底盘顶，参照多塔复杂结构的板厚及配筋加强。

2.2.2 设防地震抗震性能分析

（1）竖向关键构件抗剪弹性、抗弯不屈服。

对设防地震与多遇地震作用下的配筋结果进行比较，结果显示框支柱、底部加强区剪力墙的配筋基本一致，表明根据规范要求对框支柱进行小震设计，其性能可以基本达到中震抗弯不屈，抗剪弹性的目标。仅结构外围的局部框支柱与剪力墙配筋有所加大，经分析，是由于设防地震作用下，边角处的竖向构件出现较大拉应力，其中框支柱最大名义拉应力为3.9MPa，部分剪力墙端柱最大拉应力为4.5MPa，大于材料强度标准值2.85MPa，框支柱及剪力墙边缘构件通过配置型钢或加大纵筋配筋率后均可满足抗拉要求。

（2）转换梁构件抗剪弹性、抗弯不屈服。

设计前期，框支转换梁均采用普通钢筋混凝土大梁，结果显示较多截面抗剪及抗扭不满足要求。故将框支主梁及部分框支次梁改为型钢混凝土梁。

对比YJK小、中震下的框支梁配筋，结果显示小震配筋包络了中震抗剪弹性抗弯不屈服的配筋需求。基于安全考虑，采用ETABS计算所得的中震内力进行配筋复核，结果显示两个软件的结果相对接近，表明结构具有较高的可靠度，通过合理配筋可满足抗剪弹性，抗弯不屈服的性能目标。

（3）转换层楼板有限元弹性分析。

转换层楼板既是传递楼层水平力并按刚度分配至所有抗侧力系统的关键构件，也是框支大梁的翼缘，与框支转换梁共同工作。本项目采用壳单元对转换层楼板进行模拟，验证楼板的中震弹性的性能目标，并提出施工图阶段的配筋指导。

本项目转换层框支梁数量多，尺寸大，纯楼板区域范围较小，楼板应力未出现明显的竖向受荷模式，应力主要由水平荷载产生，集中于与核心筒落地墙相连的区域。楼板压应力均在混凝土抗压承载力范围内，拉应力也基本在5MPa以内。考虑到应力集中多在与墙相交节点及墙体拐角处，总体呈现以核心筒为中心的井字形分布。施工图中，考虑板厚为200mm，局部应力集中区域进行配筋加强，采取三级钢14@10双层双向加密的配筋形式。

2.2.3 罕遇地震弹塑性时程分析

采用SAUSAGE软件对结构进行罕遇地震的弹塑性时程分析。结果显示罕遇地震的基底剪力是多遇地震的4.0~5.3倍，大震底部剪力与小震弹性时程分析的比值合理，抗侧力构件在两个方向均进入了弹塑性。楼层弹塑性位移最大值为X向1/219，Y向1/217，均满足1/150的性能目标[4]。

框架柱及框支柱的整体性能多数为无损坏~轻微损坏。塔楼剪力墙的性能多数在无损坏~轻度损坏状态，仅局部个别边缘构件区域出现中度损坏，施工图中将对特定位置的边缘构件进行配筋加强。较多连梁出现中度~严重损坏，符合抗震多道防线的设计预期。框支梁采用壳单元模拟，整体性能在无损坏~轻度损坏状态；框支梁受力以重力荷载为主，梁底拉应变相对大，总体应变水平不高。裙房各楼层在与塔楼相连的周边出现较多轻微损坏~轻度损坏，反映了偏置大裙房扭转效应的不利影响，应采取措施，控制裙房扭转，并适当加大塔楼周边楼板厚度与配筋。

2.2.4 框支层的可靠性与耗能区分析

本项目框支转换的特点为框支柱在外、落地核心筒在内，且外围接近全框支转换。对落地墙与框支柱倾覆弯矩分配这一重要指标，不同算法差异较大，如表2所示。对比转换柱与托墙的截面积，前者为后者的1.1倍，一定程度上表明了框支层以下的抗剪承载能力不低于上部结构，竖向构件尺寸与总面积合理，框支层以下竖向构件总体轴压比可以控制在相对较低的水平。

表2 A座首层框架柱倾覆力矩比例

近年来，一些地铁上盖项目出现了类似的大范围框支转换，甚至全转换，这些项目的分析与设计显示一般框支柱顶先屈服，但仍然具备承载力。对此，认为柱顶完全屈服，甚至成铰接的屈服机制应持谨慎态度。因此，为论证框支层的可靠性与实际耗能区位置，考虑对结构进行2倍时长的罕遇地震时程激励。

结果表明，框支梁及框支柱首先出现损伤，但随地震力的持续作用，其损伤程度发展有限，主要损伤出现于首层落地剪力墙及转换层以上的底部加强区，与规范规定的底部加强区相符。耗能顺序与损伤开展顺序相同，第一道防线为连梁构件耗能，第二道防线为落地剪力墙耗能，框支柱未充分发挥第二道防线的作用。损伤随即转移至转换层以上的2~3层墙体，与落地剪力墙共同成为主要耗能区。故虽框支柱的底部倾覆弯矩按轴力方式超限较多，但损伤程度有限，不会引起结构安全问题。按防线的开展顺序，结构加强部位应特别关注连梁，底层落地墙及转换层以上的底部加强区采取相关的加强措施。

3 结构设计加强措施

根据各地震效应和各专题分析结果，本项目有针对性地采取以下主要的加强措施：

（1）塔楼底部落地剪力墙墙身水平和竖向分布筋配筋率不低于0.45%，转换层以上加强区部位剪力墙墙身水平和竖向分布筋的最小配筋率不低于0.45%，底部加强区边缘构件纵筋配筋率不低于1.5%。约束边缘构件层与构造边缘构件层之间设置2层过渡区，剪力墙水平和竖向分布筋配筋率不低于0.35%。

（2）对于出现小偏拉的墙肢，按特一级构造进行加强，全截面纵向钢筋配筋率不小于0.6%。

（3）转换层楼板采用200mm双层双向配筋，并根据壳元模型在支座位置处加强。核心筒与薄弱连接楼板配筋不小于14@100。

（4）加强塔楼框支转换以下楼层的框架梁配筋，纵筋取计算值的1.1倍，推迟框支楼层塑性铰出现的时间，提高其整体性能。

4 结束语

本项目用两个软件计算所得的指标相当，基本满足规范要求。时程分析与反应谱之间具有一致性和规律性。设防烈度地震作用下，关键构件处于受弯不屈服、抗剪弹性状态；框架梁、连梁仅部分出现受弯屈服，但受剪不屈服，能够满足预定的性能目标。罕遇地震作用下，结构层间弹塑性位移角满足规范要求，结构主要抗侧力构件没有发生严重破坏；可满足预定的抗震性能目标。其余专项分析表明，通过有针对性的加强配筋，增大构件尺寸，特殊构造做法等方式可满足项目存在的平面不规则、多塔、构件间断等特殊情况受力需求，是安全、可靠、合理且满足规范要求的。