超B级高度超限高层剪力墙结构性能化设计

肖 云

（深圳市建筑设计研究总院有限公司，广东 深圳 518031）

1 工程概况

工程为广东某超高层住宅，共10栋塔楼，地下室3层，地上部分设缝分开，地下部分与车库连为一体。结构第一层和第二层为商业用房，结构第二层以上为住宅用房，剪力墙的荷载在第二层通过框支梁传至框支柱，同时部分剪力墙落地设置荷载传至基础。文章就8#塔楼（结构高度为146.35m，层高51层）进行结构性能化设计。抗震设防类别为乙类，建筑结构安全等级为一级；工程所在地区抗震设防烈度为7度（0.10g），设计基本地震加速度0.08g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，50年一遇基本风压0.75kN/m2，地面粗糙度类别为C类。

2 结构体系及特点

2.1 结构体系和主要构件

8#塔楼为部分框支剪力墙结构体系如图1、图2所示，转换层在地面第二层（楼面标高为+12.500m），除塔楼中央核心筒剪力墙及外围4片剪力墙直接落地外，其余剪力墙均通过框支梁转换至框支柱。构件抗震等级：裙房框架梁、柱抗震等级为一级，框支框架（框支梁、柱）和落地剪力墙抗震等级为特一级，其他剪力墙抗震等级为一级。

图1 塔楼结构的三维轴测图

图2 结构标准层平面图

2.2 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）和《广东省超限高层建筑工程抗震设防专项审查实施细则》（粤建市〔2016〕20号），对该塔楼超限情况对照相关规范规程进行检查，结果如下：

（1）房屋高度：结构高度为146.35m，采用部分框支剪力墙结构体系，大于B级高度钢筋混凝土高层建筑抗震设防烈度7度（0.10g），高度120m限值。

（2）不规则类型：考虑偶然偏心情况下X向扭转位移比最大值为1.21，Y向扭转位移比最大值为1.18；X向大于1.2的限值。凹凸不规则平面的凹凸尺寸大于相应边长30%。楼板不连续有效宽度小于50%，开洞面积大于30%，错层大于梁高。构件间断上下墙、柱、支撑不连续，含加强层、连体类。

综上所述，该塔楼为超B级高度钢筋混凝土建筑工程，同时具有四项不规则类型：扭转不规则、凹凸不规则、楼板不连续、构件间断。

2.3 性能目标

该工程综合考虑了结构的特殊性、结构的超限情况、建筑费用等各项因素，选定结构抗震性能目标为C级，如表1所示。

表1 C级结构抗震性能目标

3 结构性能化设计采取的构造措施

（1）在框支构件周边设置4片落地剪力墙，提高结构转换层以下部分侧向刚度，为框支梁提供支撑；将支承框支梁的剪力墙竖向分布筋最小配筋率提高至0.6%。

（2）转换层上部两层（3F、4F）剪力墙，其抗震构造措施提高至特一级。

（3）支承框支梁的落地剪力墙端柱，按柱考虑，进行两个方向的承载力验算，同时按照特一级框架柱与约束边缘构件的构造要求进行配筋设计。

（4）部分承担扭矩、剪力较大的框支梁，采取水平加腋处理，并加强剪扭构件配筋控制；在受剪力较大的部分框支梁内设置窄翼缘型钢，提高抗剪承载力。

（5）转换区域采用厚度为180mm的楼板，板配筋双层双向拉通布置，转换区域楼板配筋率控制在0.40%以上。

4 结构弹性分析结果

4.1 整体计算结果

该工程采用盈建科建筑结构计算软件与ETABS房屋建筑结构分析与设计软件进行了多遇地震与风荷载作用下的弹性分析，如图3～图6所示，计算结果如表2所示。

小震作用下、风荷载作用下结构的层剪力和层间位移角的结果如图3～图6所示，小震作用下的层间位移角X向为1/1076、Y向为1/1543，风荷载作用下的层间位移角X向为1/858、Y向为1/1065，均小于《广东省标准高层建设混凝土结构技术规程》（DBJ 15—92—2013）规定的1/800的限值。

本层层侧向刚度与上层侧向刚度的70%和上部三层刚度平均值的80%较大值之比值如图7所示，结构竖向刚度比均大于1，说明结构刚度均匀，不存在薄弱层，满足《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）中规定，侧向刚度小于相邻上层的70%，或者小于其上相邻三层侧向刚度的80%则为薄弱层。在《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010）规定，B级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力大于其相邻上一层受剪承载力的80%，该项目计算结构均大于0.8，满足规范要求，如图8所示。

图3 小震作用下剪力

图4 小震作用下层间位移角

图5 风荷载作用下剪力

图6 风荷载下层间位移角

表2 整体分析结果

图7 层间刚度比

图8 层间受剪承载力之比

4.2 小震弹性时程分析

该工程选用2组天然波和1组人工波进行时程分析，选取计算的平均值和振型分解反应谱的结果进行比较，基底剪力结果如表3所示。结果表明，每条地震波时程曲线计算所得底部剪力不低于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条地震波时程曲线计算所得底部剪力不低于振型分解反应谱法计算结果的80%，说明地震波选取合适。对天然波1、2、人工波计算结果与CQC法进行比较，结果如图9、图10所示。时程分析结构与分解反应谱在统计意义上相符，3组地震波下的结构层剪力受鞭梢效应的影响顶部局部楼层结构层剪力大于CQC法剪力值，在设计过程中对顶部几层的剪力进行调整。

表3 三组波计算的基底剪力

图9 X/Y向时程分析层剪力结果

图10 X/Y向时程分析层间位移角结果

5 结构中震分析

5.1 中震整体分析

对结构进行了中震型分解反应谱法分析，中震作用下弹性分析的层剪力和层间位移角如图11、图12所示，计算结果如表4所示。结果表明在中震作用下结构的层间位移角和地基剪力为小震作用下的2.71倍，而中震分析地震反应谱的最大地震影响系数为小震的2.83倍，说明中震作用下结构刚度退化很小，基本仍在弹性阶段工作。

5.2 中震弹性分析和中震不屈服分析

对转换柱和落地墙进行编号，中震不屈服验算结果表明，在中震不屈服作用下所有转换柱和落地剪力墙均未出现拉应力。利用Xtract软件采用平截面假定，计算框支柱和落地剪力墙的拉弯、压弯承载力包络曲线，再验算框支柱的中震弹性抗弯结果，验算结果表明，结构框支柱均能满足中震抗弯弹性的要求。

因为中震下框支梁抗弯承载力、框支梁抗剪承载力、落地剪力墙、转换层上部剪力墙、框架梁、连梁等其他构件均满足性能目标，所以在中震下结构构件均满足性能水准3的要求。

图11 下层剪力

图12 下层间位移角

表4 中震计算结果汇总

6 大震弹塑性时程分析

利用PERFORM 3D软件，进行了大震作用下结构的弹塑性时程分析，如图13所示，计算结果如表5所示。结果表明，在天然波1、天然波2、人工波作用下剪力墙没有产生较大面积压损伤，剪力墙墙身钢筋基本未屈服，剪力墙控制在轻微损坏范围内；框支柱混凝土最大压应变小于混凝土峰值压应变，且框支柱纵向钢筋未屈服，框支柱基本处于轻微损坏；框支梁混凝土最大压应变小于混凝土峰值压应变，且框支梁纵向钢筋都未屈服，框支梁基本处于轻微损坏；连梁部分混凝土出现压损伤，且部分连梁纵向钢筋屈服，连梁可控制在中等损坏范围之内；框梁出现部分抗弯屈服，但框梁可控制在中等损坏范围内；转换层楼板混凝土没有产生大面积压损伤部位，转换层楼板可控制轻度损伤范围之内。结构整体能实现大震不倒，构件能达成设定的性能目标。

图13 X/Y向大震三条波作用下结构层间位移角曲线

表5 大震三条地震波计算结果汇总

7 结论

该工程选定结构抗震性能目标为C级，在设计中采取一系列抗震加强措施保证结构的安全可靠，经分析表明，所有计算结果均能满足规范与规程要求，在小震、中震、大震作用下结构各计算分析都能满足设定的性能水准要求。