某超限高层住宅建筑结构设计

李哲刚

(中机中联工程有限公司,重庆400039)

1 工程概况

长嘉汇项目一期工程位于重庆市南岸区南滨路弹子石，场地南西面为长江，西面为重庆大剧院。工程场地类别为II类，场地特征周期0.35 s。一期工程中1、2、3号楼是住宅，3栋楼标准层平面相同，楼层数略微不同，高度在167～169 m之间，达到《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)以下简称《高规》中B级高度最高限值。本文以3号楼为例，介绍本超限项目的结构设计。

3号楼结构高度为168.9 m，53层。建筑平面长33.2 m，宽30.4 m。建筑的标准层结构平面图见图1，建筑剖面图见图2.

图1 标准层结构

图2 建筑剖面

本工程抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度0.05g，设计地震分组为第一组，抗震设防类别为标准设防类。结构体系采用钢筋混凝土剪力墙结构，嵌固点取基础顶面，抗震等级为二级。基础采用人工挖孔灌注桩基础，以中风化砂岩为地基持力层。

2 结构超限判定

本工程为结构总高度168.9 m的剪力墙结构，根据《重庆市超限高层建筑工程界定规定》(2010版)中第四条关于剪力墙结构房屋高度140 m限值的规定，本工程房屋高度大于该限值。

标准层平面在角部重叠处开设局部凹槽，使得平面轻微不规则，但不超限。

结构竖向布置未收进，未转换，不超限。

楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移之比为1.37，大于1.2，小于1.4；结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比为0.71小于0.85，均满足规范要求，不超限。

结论：本工程为高度超限，平面轻微不规则，竖向规则的超限高层结构。

3 结构抗震设防性能目标

本项目为住宅，属丙类设防，参照抗规的三水准设计原则确定结构抗震设防性能目标，见表1。

表1 结构抗震设防的性能目标

为了达到上述设防性能目标，采用抗震规范的设计思路，即在小震作用下，对结构进行弹性分析并以此为依据进行承载力设计；在大震作用下，对结构进行弹塑性分析，验算结构是否具有足够的弹塑性变形能力和内力重分布能力，确保结构不会倒塌。配筋设计时按规范要求进行加强，使得结构在中震下达到可修复使用的设防目标。

4 针对结构超限情况所采取的主要措施

本工程为高度超高导致结构超限，设计时采取以下措施：

(1)本工程属B级高度高层建筑，需按照《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)和《高规》的相关要求，进行各种计算分析，严格控制各项结构计算指标；同时按照规范采取相应的抗震构造措施。

(2)在竖向布置方面，底部4层层高分别为5.5 m、5 m、5.7 m、 5.7 m，其余楼层层高均为3.0 m；由于层高的变化导致结构侧向刚度产生较大变化。针对上述情况，将底部4层的剪力墙适当加长、加宽，同时调整部分连梁的梁高，以达到控制楼层侧向刚度比的目的。

(3)建筑专业在平面角部重叠处开设局部凹槽，使得结构受到削弱。针对这点，特地在这三个凹槽处设置水平斜撑，通过水平斜撑传递水平力，使其能达到板的作用(图3)。

图3 平面凹槽处增设水平斜撑

(4)本工程在平面布置上有角部重叠的部位，对重叠部位进行加强，做120 mm厚的楼板，楼板双层双向配筋。结构带转角窗部位楼板加厚为120 mm，采用双层双向配筋，确保楼板能够有效地传递水平力。

(5) 在计算水平地震力时，除按照0°计算地震力外，另外按照最不利地震作用方向(-33°)输入地震作用，并采用双向地震作用的算法来计入结构平面不规则的影响；同时针对角部重叠部位可能会产生较明显的平面外变形的情况，计算时对角部重叠部位楼板按弹性板来考虑，以计入楼板的平面外变形影响，以反映结构的真实情况。

5 结构计算及主要结果分析

在多遇地震作用下，分别采用SATWE和ETABS软件对结构承载力和变形进行计算，并作弹性时程分析补充计算，以验算结构在多遇地震作用下是否满足既定的性能目标；罕遇地震作用下，采用Push-over方法计算，验算结构是否具有足够的塑性变形能力和内力重分布能力，确保其不会出现被破坏到临界倒塌的极限状态情况，从而保证结构整体抗震性可以达到大震不倒的抗震性能目标。

弹性计算时，结构阻尼比取0.05，周期折减系数取0.9。

5.1 振型分解反应谱法计算结果分析

5.1.1 主要振型周期

主要振型周期见表2。

表2 主要振型周期计算结果

从表2可以看到，两种计算软件的主要计算结果相差不大。

5.1.2 地震作用下的层间位移角

地震作用下x、y向层间位移角见图4、图5。

图4 X向地震作用下结构X向最大层间位移角

图5 Y向地震作用Y向最大层间位移角

5.1.3 地震作用下的楼层剪力

地震作用下x、y向各楼层剪力见图6、图7。

图6 X向地震作用下结构的楼层剪力

图7 Y向地震作用下结构的楼层剪力

5.1.4 风载作用下的层间位移角

风载作用下x、y向的层间位移角见图8、图9。

图8 X向风载作用间位移角

图9 Y向风载作用下结构层间位移角

5.1.5 风载作用下的楼层剪力

风载作用下x、y向各楼层剪力见图10、图11。

两种计算软件在主要指标上，数据相近、规律一致，都满足规范要求。

图10 X向风载作用下层间剪力

图11 Y向风载作用下层间剪力

5.2 弹性动力时程分析计算结果

5.2.1 地震波的选用

设计时，采用了本项目场地安评报告提供的3条人工地震波、2条天然地震波以及SATWE软件自带的4条天然地震波进行试算比较。地震波列表见表3。

以上各条波的持续时间大于结构基本自振周期的5倍和15 s，地震波的时间间距取0.02 s。取主次分量峰值加速度分别为18 cm/s2、15 cm/s2，进行计算。

先根据规范要求，对波的统计规律进行计算，结果见图4。

表3 地震波名称及来源

图4 地震波对比

经过比较后，取用一条人工波(USER2)和两条天然波(USER4、USER5)作为时程分析的地震波曲线。最终计算结果见表4。

将弹性时程分析法计算结果与振型分解反应谱法计算结果分析比较，时程分析法计算所得的层间位移曲线与振型分解法基本一致；弹性时程分析计算得到的结构楼层总剪力总体上略小于或接近于振型分解法计算结果；弹性时程分析的X、Y方向最大层间位移角均小于或稍大于振型分解法。因此，本工程可直接采用振型分解反应谱法计算结果作为设计依据。

表4 弹性动力时程分析主要计算结果

5.3 静力弹塑性推覆(Push-over)计算分析

本工程静力推覆计算分析采用的软件为EPDA软件。根据计算结果，结构在罕遇地震作用下具有较强的弹塑性变形能力，大震下结构最大层间位移角为1/380，小于1/120的规范限值，符合《高规》第3.7.5条的规定(图5)。

图5 结构抗倒塌验算

达到性能点时，结构层间位移角计算结果如图6。

图6 性能点处结构各层的层间位移角

从图6中可以看到，达到性能点时，结构的整体变形曲线还很光滑，结构的竖向刚度并无突变，说明竖向构件在这时仍然保持了足够的变形能力。

结构的出铰情况计算见图7。

图7 性能点处结构出铰情况

结构变形过程中，结构底部剪力墙先出裂缝，然后向上延伸。达到性能点时，底部加强区及其上几层的剪力墙出现受拉裂缝，中部、上部连梁出现梁端塑性铰。结构整体出铰情况良好，这从结构的变形曲线也能得到验证。

在大震下，结构达到性能点时，角部的部分墙肢在地震工况下出现了拉力。这些拉力都不大，在400～1 300 kN之间，和结构在恒载下的自重比起来要小很多，因此结构基础在大震下不会出现被拔出的可能。

以上计算结果表明本工程结构具有足够的变形能力和内力重分布能力，不会出现被破坏到临界倒塌的极限状态情况，结构整体抗震性可以达到大震不倒的抗震性能目标。

6 楼板应力分析

在设防地震作用下，以楼层变形最大的结构27层为例进行计算。楼板应力结果见图8～10图。

楼板X向最大拉应力为280 kPa，最大压应力为200 kPa；Y向最大拉应力为220 kPa，最大压应力为990 kPa；最大剪应力为960 kPa。标准层楼板板厚100～120 mm，混凝土等级为C30，采用分离式配筋，从计算结果上看，能够满足板的受力要求。

图8 楼板X向应力图

图9 楼板Y向应力图

图10 楼板剪应力图

7 结论

综上所述，本工程为高度超限的高层建筑。通过采取有针对性的加强措施，使得整体结构具有较好的抗震性能，能够满足“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准抗震设防目标。

[1] 徐建.建筑结构设计常见问题及疑难问题解析[M].北京:中国建筑工业出版社,2007

[2] GB 50011-2010建筑抗震设计规范[S]

[3] JGJ 3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S]

[4] 重庆市城乡建设委员会.重庆市超限高程建筑工程界定规定(2010年版)[S]