广州某项目A栋超高层住宅结构抗震设计

2023-10-11余楚江

广东土木与建筑 2023年9期

余楚江

（广州市设计院集团有限公司广州 510620）

1 工程概况

广州市海珠区某项目北侧为昌岗中路，南侧为某小区，项目由4 栋超高层住宅塔楼和局部商业裙房组成，总建筑面积14.8万m2。本文介绍的A栋超高层住宅楼，地下6 层，地上46 层，建筑总高度147.7 m。地下室主要为机动车库、人防和配套设备用房；首层为住宅大堂，层高3.5 m（局部通高8.0 m），二层为物业管理用房，层高4.5 m，3 层以上为住宅区，层高3.1 m，其中16 层和31 层为避难层，层高4.5 m。建筑效果如图1所示。

图1 建筑效果Fig.1 Architectural Effect

本项目设计使用年限为50年，抗震设防类别为标准设防类（丙类），结构安全等级为二级，结构重要性系数γ0=1.0。

抗震设防烈度为7 度［1］，设计基本地震加速度为0.1g，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.35 s。

50 年重现期的基本风压ω0=0.50 kN/m2，地面粗糙度类别为C 类。考虑高层结构对风荷载比较敏感，结构承载力计算取基本风压的1.1 倍［2］。主体结构体型系数为1.4。

2 结构选型与布置

本项目建设场地狭小，地下车道入口设置于塔楼内部，为避开地下车道，局部剪力墙需在首层楼面进行转换；首层为住宅大堂和架空活动空间，为满足大空间使用功能要求，3层楼面以下局部取消剪力墙，于3 层楼面采用混凝土框架托墙转换，以满足上下两个功能区的使用要求。综合考虑建筑功能需求以及结构合理性，主体结构采用部分框支剪力墙结构体系［3-4］。

按照“均匀、对称、分散、周边”的布置原则，结合住宅平面分隔墙以及中部电梯井、楼梯间墙体位置布置纵横向剪力墙，并尽量用长墙肢，避免形成短肢剪力墙，提高结构整体抗震性能和减少墙体厚度，提升建筑内部使用空间，剪力墙厚度由底部的400～600 mm，逐渐减薄为200～250 mm，核心筒落地剪力墙厚度不小于300 mm，以提高结构整体抗扭和抗侧刚度，混凝土强度等级为C40～C60。

框支框架为结构的关键构件，为了提高其承载能力以及延性，采用型钢混凝土框支框架，框支柱截面为1 200 mm×2 000 mm，内置十1 000（400）×800（400）×60×80 或H800×400×60×80 型钢；框支梁截面1 200（1 500）mm×2 000 mm，内置H1 300×400×60×80型钢。

地下室与塔楼楼盖均采用现浇钢筋混凝土梁板结构。地下室采用加腋大板，框架梁截面主要为400 mm×600 mm、500 mm×800 mm，板厚180～250 mm，混凝土强度等级为C35；3 层转换层楼面为满足卫生间排水要求，整体降板500 mm，以保证水平力在楼板平面内的可靠传递，同时降低框支层的高度，利于提高其抗侧刚度，且可作为首层与三层之间的管线转换空间，板厚取为200 mm，混凝土强度等级为C40；塔楼标准层板厚为100～120 mm，楼梯间与电梯间周边板适当加厚至150 mm，混凝土强度等级为C35。

典型结构平面如图2所示。

图2 典型结构平面Fig.2 Typical Structure Plan （mm）

3 结构超限情况及抗震性能目标

3.1 结构超限情况

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）［5］、《建筑抗震设计规范：GB 50011—2010》［1］以及《高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3—2010》［6］进行超限情况判定，本项目主屋面高度为147.7 m，超过框支剪力墙结构100 m 高度限值47.7%，为超限高层建筑，且存在以下不规则项：

⑴结构考虑偶然偏心的扭转位移比为1.4＞1.2，属于扭转不规则；

⑵ 15 层X向偏心率为26.79%、Y向偏心率为18.02%，大于15%，属于偏心布置；

⑶标准层宽度为21.20 m，凸出部分长7.15 m，凸出比例为33.7%，大于30%，属于凹凸不规则；

⑷三层与首层楼面存在局部托墙转换，属于构件间断；

⑸首层、二层存在局部穿层柱，属于局部不规则。

3.2 抗震性能目标

针对上述不规则情况，采用基于性能化的方法进行结构抗震设计［6］，结构整体抗震性能目标为C级，对于框支框架，抗震性能目标提高至B级。

剪力墙底部加强区墙肢、框支框架为本项目的关键构件；剪力墙非底部加强区墙肢为普通竖向构件；框架梁，剪力墙连梁为耗能构件。主要结构构件的抗震性能目标如表1所示。

表1 主要结构构件抗震性能目标Tab.1 Seismic Performance Objectives of Main Structural Members

4 结构计算分析

本项目采用YJK 进行主体结构的分析设计以及中震和大震下的抗震性能设计，采用ETABS复核小震下的主要整体指标，并采用SAUSAGE 进行大震下的弹塑性时程分析。

4.1 整体计算分析

结构计算计入偶然偏心地震作用、双向水平地震作用及竖向地震作用。地震作用采用振型分解反应谱法进行计算，考虑扭转耦联地震效应，3个方向地震作用X∶Y∶Z=1∶0.85∶0.65。结构阻尼比取0.05，计算振型数取质量参与系数大于90%以上，主要计算结果如表2所示。

表2 多遇地震下主要计算结果Tab.2 Main Calculation Results under Frequent Earthquakes

由表2 可知，两个分析程序所得的主要计算结果相近，计算结果合理有效。结构沿主轴方向振动形式相近，结构振型、周期、位移形态和量值在合理范围内；结构周期比、层间位移比、刚度比以及层间位移角等整体指标均满足文献［6］的限值要求；构件的配筋均在合理范围，构件截面选取合理，结构体系选择恰当。

地下室楼层侧向刚度比分别为3.16（X向）和3.17（Y向），首层可满足嵌固端的要求；首层剪重比为1.36%（X向）和1.49%（Y向），不满足最小剪重比要求，全部楼层地震剪力乘以相应的放大系数。

4.2 小震弹性时程分析

根据文献［1］规定，选取5 组天然波以及2 组人工波进行小震下的弹性时程分析，地震波的频谱特性、有效峰值和持续时间均满足要求，按主方向∶次方向∶竖向=1∶0.85∶0.65 的比例输入，地震波的峰值加速度取35gal，主要结果如表3所示。

表3 弹性时程分析主要结果Tab.3 Main Results of Elastic Time History Analysis

由表3 结果可知，小震弹性时程分析各地震波基底剪力在振型分解反应谱法计算基底剪力的65%～135%之间，7组地震波平均基底剪力在振型分解反应谱法计算基底剪力的80%～120%之间；X、Y方向的层间位移角最大值分别为1/887 和1/1237，均满足规范要求。设计时根据小震弹性时程分析结果调整各层剪力（与剪重比放大系数包络取值），其结果偏于安全，满足文献［6］要求。

4.3 中震抗震性能设计

采用YJK 对结构中震性能水准3 进行计算分析，结构在中震下X、Y向的层间位移角分别为1/337 和1/455，X、Y向基底剪力分别为小震下基底剪力的2.67倍和2.68倍，均在合理范围内。

中震下，首层部分转换墙肢抗剪截面不满足要求，设计采用内嵌钢板剪力墙，以提高其斜截面承载力及延性性能，如图3⒜所示。

图3 首层内嵌钢板剪力墙及内置型钢剪力墙Fig.3 Embedded Steel Plate Shear Wall on the First Floor and Built-in Steel Shear Wall

首层～7层、低区避难层以及高区避难层因层高较高，部分墙肢出现受拉，除右上角墙肢外，受拉墙肢拉应力均小于混凝土抗拉强度。设计时于右上角剪力墙内设置型钢以抵抗拉力，型钢上下各延伸一层，如图3⒝所示。中震出现偏心受拉的墙肢抗震等级提高至特一级，对中震下配筋率较高的小墙肢适当增设型钢，承当部分剪力。

考虑到框支框架的重要性，将框支框架在中震下设为无损坏（抗弯抗剪均弹性），即相当于第二性能水准要求，对其按照第二性能水准进行验算，框支框架均满足计算要求，无承载力不足的情况，能满足性能水准2的要求。

通过中震分析对结构进行性能化设计，严格控制各构件截面（剪压比）满足要求，关键构件及普通竖向构件采用包络配筋设计。耗能构件的纵筋二者相差太大的构件，适当提高纵筋配筋率，以减小中震的损伤程度，可满足预设的“中震可修”的性能目标。

4.4 大震抗震性能设计

根据文献［6］要求，采用YJK 对竖向构件进行第四性能水准（框支框架性能水准3）的受剪截面验算，计算结果表明，墙柱抗剪截面均满足要求。框支框架通过箍筋的包络设计，亦可达到预设的性能目标。

4.5 大震动力弹塑性时程分析

采用SAUSAGE 对结构进行大震下的动力弹塑性时程分析，研究主要构件特别是框支框架的塑性损伤和整体变形情况，以发现结构的薄弱部位，并采取相应的加强措施。

选取1 组人工波，2 组天然波，按主方向∶次方向∶竖向=1∶0.85∶0.65的比例输入，地震波的峰值加速度取220gal，大震弹塑性时程分析结果显示，大震下X、Y向的最大层间位移角分别为1/266 和1/310，均能满足1/120 的限值要求；结构基底剪力是小震下对应值的3.69～6.00倍，结构部分进入弹塑性［7］。

大震作用下，剪力墙墙肢均未出现明显受压损伤，绝大部分为无损坏，局部出现轻微损坏，且损坏多集中在结构底部，转换层楼面以上部位；框支框架无明显受压损坏，仅框支梁有轻微至轻度的受拉损坏；结构主要由连梁和框架梁屈服耗能，出现中度或重度损坏，沿全楼均有分布，且中下部连梁的破坏严重程度明显高于上部，随着时程进展，呈现由下部往上部发展的趋势；通过框架梁、连梁进入塑性，消耗了大部分地震动输入能量，并且削弱了结构刚度，从而降低结构的地震作用，保护了框支框架以及剪力墙等关键构件的破坏。

从弹塑性时程分析结果可知，结构的整体塑性变形、关键构件和普通竖向构件的破坏程度不大，结构可满足“大震不倒”的预期性能目标。

5 结构专项分析

5.1 框支梁分析

框支框架为本项目的关键构件，框支主梁承托上部剪力墙以及转换次梁及其上部剪力墙，荷载重且受力复杂，有必要进行有限元应力分析，以发现其受力特点，并采取针对性加强措施［8-9］。选取三层受力最不利的框支梁KZL1～KZL3，如图2⒝所示，采用壳单元进行中震下性能水准2的应力分析，结果如图4所示。

图4 框支梁应力图Fig.4 Stress Diagram of Frame Supported Beam

由计算结果可见，框支梁沿长度方向应力分布类似“拉杆拱”，符合深梁的受力特征，应力最大处位于转换次梁KZL2与框支主梁KZL3的相交处，以及框支主梁KZL3相应位置的梁底，最大拉应力为33 MPa，相应梁底按应力配筋面积为318 cm2，实配纵筋7625，面积为373.16 cm2；最大剪应力为2.2 MPa，按应力配箍面积为110 cm2/m，实配箍筋14@100（12），面积为184.8 cm2/m，正截面和斜截面配筋均能满足要求，且有一定富裕，能满足“中震弹性”的抗震性能目标。

5.2 中震楼板应力分析

框支转换层楼板为重要传力构件，不落地剪力墙的剪力需要通过转换层楼板传递到落地剪力墙，楼板面内受力复杂［6］，采用符合楼板实际刚度的计算模型进行楼板应力分析。

由计算结果可见，除了洞口角部应力集中点外，拉应力基本在0.1～2.2 MPa之间，均不超过C40混凝土的抗拉强度标准值2.39 MPa。考虑到转换层楼板的重要性，框支层楼板厚度取200 mm，并采取加强楼板配筋的措施，配置12@150 双层双向通长底、面筋，对应力集中部位，局部加密钢筋，以实现转换层楼板“中震弹性”的性能目标［10］。