上海某超限高层建筑抗震设计

杜玉峰

(上海世纪都城建筑设计研究院股份有限公司，上海 200041)

1 工程概况

工程为上海某高层住宅楼，地上33层，2层地下室，首层层高4 m，其它各层2.9 m，檐口高度97.1 m。工程为部分框支剪力墙结构，9层框支，框支层顶标高26.5 m。底部加强部位剪力墙抗震等级为特一级，非底部加强部位剪力墙抗震等级为二级，框支框架抗震等级为特一级。

2 抗震设计

2.1 抗震设防标准

设防烈度为7度(0.10g)，设计地震分组为第二组，场地类别为上海IV类场地。

2.2 结构不规则性

根据《建筑抗震设计抗规》第3.4节表3.4.3-1和表3.4.3-2，对结构的不规则类型判别如下：存在扭转不规则、竖向刚度突变(首层)、竖向构件间断。

2.3 分析软件

SATWE-高层建筑结构空间有限元分析与计算软件，中国建筑科学研究院编制。

MIDAS/GEN，MIDAS有限公司。

2.4 抗震分析

小震作用下各项计算指标满足规范要求。

工程1～9层定义为双塔结构，9层以上定义为单塔。图1是MIDAS的三维整体计算模型，对转换厚板和转换拱等做了真实的模拟。

2.4.1 自振特性

表1给出了工程前三个振型的自振特性参数，表中的数据显示了自振特性良好，振型清晰，扭转为第三振型，T扭/T1为0.66<0.85，符合我国现行建筑抗震规范的要求。

表1 自振特性

2.4.2 地震反应

表2列出了工程的地震反应控制性指标的计算值。计算结果均符合规范要求，说明工程结构具有足够的抗侧刚度和良好的抗震性能。

表2 控制性指标汇总

*框支柱抗震等级特一级，轴压比限值≤0.6。采用复合箍及钢筋芯柱后轴压比可提高0.15，轴压比限值可为0.75。

2.4.3 转换构件分析

分析报告规定，转换厚板的抗震设防性能为小震不裂，中震弹性。

1)小震设防

①抗弯

小震不裂的具体标准是混凝土核心层不发生竖向裂缝。即由地震作用产生的中曲面上主拉应力标准值不大于楼板混凝土轴心抗拉强度标准值ftk。

有地震作用效应组合公式

σk,小震=(σ静+0.5σ活+σ地震)

(1)

抗裂公式

σ1k,小震≤ftk

(2)

②抗冲切

小震不裂的具体标准是混凝土核心层不发生斜裂缝，受冲切截面处最大横向剪应力标准值不大于混凝土抗拉强度标准值ftk。

有地震作用效应组合公式

(3)

式中，v是沿冲切面上单位长度的剪力。沿冲切面混凝土核心层最大小震剪应力组合标准值τzkmax,小震为

(4)

式中，ξ为剪应力不均匀系数，ξ=1.0～1.5。抗裂验算时，取ξ=1.5。hc=h-2a′为混凝土核心层厚度。

抗裂公式

τzkmax,小震≤ftk

(5)

在斜裂缝未发生前，核心层处于纯剪切应力状态，式(5)相当于核心层受冲切截面处最大主拉应力标准值不应大于混凝土轴心抗拉强度标准值。

2)中震设防

①抗弯

中震弹性的具体标准是按照高规第5.6.4节表5.6.4的有地震作用分项系数进行荷载效应组合时，中震主拉应力设计值不大于混凝土楼板钢筋的屈服应力fy。

有地震作用效应组合公式

σ中震=(1.2σ静+0.6σ活+1.3×ξm×σ小震)

(6)

式中,ξm=2.86是中震放大系数。

强度公式

(7)

式中，γRE为承载力抗震调整系数，取γRE=0.75；Asx,Asy和Apx,Apy分别为间距sy和sx以及间距spy和spx范围内受拉区非预应力钢筋和预应力水平筋的面积；fy和fpy分别为非预应力钢筋和预应力筋抗拉强度设计值；σ1,中震为有地震作用效应组合时，竖向荷载效应和中震作用效应组合的设计值。hs=2a′为钢筋层的厚度。当设计普通钢筋混凝土楼板，且双层双向拉通均匀配筋时，上述强度公式简化为

(8)

②抗冲切

有地震作用效应组合公式

(9)

(10)

强度验算时，取ξ=1.0。

强度公式

(11)

式(11)中

ρv=Asvu/umh0ρb=Asbu/umh0

(12)

3)转换层有限元模型

工程采用拱式转换。转换构件有转换厚板、转换拱肩、拱圈及框支柱四部分组成。其中板厚1.0 m，拱肩厚1.0 m，采用壳单元模拟。拱圈断面尺寸2.0 m×1.2 m，框支柱断面尺寸2.0 m×1.2 m，采用杆单元模拟。转换构件参与整体抗震分析，图2给出了转换层的局部放大模型。

4)应力分析

厚板在恒+活作用下最大挠度发生在单元15 970号附近，如图3所示，弹性挠度约为10 mm。厚板在重力荷载代表值、X向地震、Y向地震作用下的弯矩Mx，My和Mxy的分布云图可以看出厚板的最大弯矩发生在最大挠度邻近区域。起控制作用的是竖向荷载。工程转换厚板跨度较小，转换的形式为板与拱肩共同托墙，冲切剪应力的数量级很小，对板的设计起不到控制作用。因此，以下部分略去剪应力的组合。

按板的夹心单元模型，板内弯矩和钢筋层中的应力之间有以下的关系式

(13)

表3给出了两个控制点应力各工况的计算值及小震组合标准值、中震组合设计值、无地震作用效应组合设计值，表中同时给出转换板配筋加密区的配筋。

表3 转换厚板控制应力和配筋

2.4.4 拱圈应力分析

分别对拱圈在重力荷载代表值作用下和地震作用下的轴力和弯矩进行计算。中震组合后，进行断面设计，拱圈纵向钢筋56根d28，全截面配筋率1.4%。中震时，处于弹性状态。

2.4.5 拱肩应力分析

由拱肩在重力荷载代表值作用下中曲面上的应力分布云图可以看出下边缘混凝土处于受拉状态，与拱圈接触的附近，局部发生应力集中，普遍处于受压状态，且应力水平不高，约在3 MPa左右。

2.4.6 抗震加强措施

1)拱式转换结构按中震弹性设计，底部加强区剪力墙按抗震等级特一级设计。

2)拱式结构中的框支柱沿柱全高采用直径大于等于12 mm、肢距小于等于200 mm、间距小于等于100 mm的井字复合箍筋。当轴压比大于0.7但不大于0.75时，在截面中部设附加芯柱。

3)拱式结构中的厚板采用双层双向d16@150配筋。剪力墙两边各1 000 mm范围内，集中配筋，并增设暗梁。

4)尽量减少上部剪力墙的布置，加厚落地剪力墙，严格控制转换层上下刚度比。控制转换层上下刚度比不小于0.7，当大于等于0.6且小于0.7时，乘1.15薄弱层剪力增大系数。

5)楼板双层双向配筋，厚度大于等于120 mm，配筋率大于等于0.4%。

6)配筋率和配箍率按抗震等级提高一级执行的构件：小墙肢和短肢剪力墙。

3 结 语

工程结构设计符合我国现行《建筑抗震设计规范》和《高层建筑混凝土结构技术规程》及其它关联规范的要求。工程转换层有限元分析结果表明，结构高位转换应该是可以接受的。拱圈、拱肩、厚板的空间转换形式，其力学性能也许要优于梁搁梁的平面转换形式。