超高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計

[關(guān)鍵詞]超高層；住宅；性能化設(shè)計；關(guān)鍵構(gòu)件；時程分析；靜力彈塑性分析 

　　1 工程概況： 

　　本工程為合肥市政務(wù)文化新區(qū)某項目中的9#樓，為超高層住宅樓，東西長70.8米，南北寬19.6米，地上41F，地下-2F，總建筑面積5.36萬 m2，標(biāo)準(zhǔn)層高3.6米，總高147.6m，高寬比7.53。建筑立面和剖面見圖1，2所示。 

　　本工程設(shè)計使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級；基本風(fēng)壓為0.35KN/m2，本工程對風(fēng)荷載較敏感，承載力設(shè)計時按基本風(fēng)壓的1.1倍采用，風(fēng)載體系系數(shù)取1.4。建筑場地類別為II類，抗震設(shè)防烈度為7度，特征周期Tg=0.35s，阻尼比取0.05；地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端。  

　　2 結(jié)構(gòu)體系與布置 

　　本工程為純剪力墻結(jié)構(gòu)，其抗側(cè)力及豎向承重體系主要為剪力墻、連梁以及框架梁形成整體結(jié)構(gòu)體系，主要墻肢的厚度隨樓層變化依次為350（-2F～10F）、300（11F～18F） 、250（19F～25F） 、200（26F～41F）；砼強度等級依次從下向上由C60變化到C30。樓面采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板，砼強度等級均為C30，樓層及屋面板厚一般取120mm，其中對跨度較大（6.5x9.0米）的客廳板厚取160mm，對于左右單元連接薄弱部位板厚取140mm；地下室頂板180mm.；為增加結(jié)構(gòu)的整體抗扭剛度樓面梁位于建筑四周的邊梁高取900mm，內(nèi)部梁高根據(jù)跨度和荷載情況取200mm～600mm，梁寬同墻厚；剪力墻抗震等級為一級。 

　　3 超限情況與抗震性能目標(biāo) 

　　根據(jù)高規(guī)、抗規(guī)和《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》的有關(guān)規(guī)定本工程高度超過120米，為高度超限；一般不規(guī)則超限僅有一項，主要是門廳部位樓板有效寬度小于50%。針對超限情況對本工程進(jìn)行了抗震性能化設(shè)計，對重要部位的構(gòu)件有針對性的設(shè)置適當(dāng)?shù)目拐鹦阅苣繕?biāo)，針對不同部位的構(gòu)件設(shè)定其在小震、中震、大震下性能目標(biāo)如下。 

　　1）小震：要求結(jié)構(gòu)整體完好、無損壞，所有構(gòu)件為彈性；最大層間位移角限值小于1/1000。 

　　2）中震：對于底部加強區(qū)墻肢（關(guān)鍵構(gòu)件）要求滿足受彎不屈服，受剪彈性；底層門廳位置的跨層墻要求中震彈性；普通豎向構(gòu)件要求不屈服；連梁、框架梁要求屈服不超過50%；中震下結(jié)構(gòu)最大層間位移角限值小于1/350。 

　　3）大震：對于底部加強區(qū)墻肢（關(guān)鍵構(gòu)件）要求滿足受剪不屈服，受彎屈服不超過10%；底層跨層墻要求不屈服；普通豎向構(gòu)件要求受彎屈服不超過50%，受剪截面滿足截面限值條件；結(jié)構(gòu)彈塑性最大層間位移角限值小于1/135。 

　　4 結(jié)構(gòu)彈性分析 

　　1）結(jié)構(gòu)彈性分析分別采用SATWE和PMSAP軟件進(jìn)行。彈性分析采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)振動影響的振型分解反應(yīng)譜法并考慮偶然偏心的影響。分析結(jié)果表明兩中軟件計算的自振周期、結(jié)構(gòu)總質(zhì)量和基底總剪力結(jié)果相差均小于3%，說明兩種模型分析結(jié)果基本一致且第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期之比小于0.85，有效質(zhì)量參與系數(shù)大于95%；樓層層間最大位移與層高之比△u/h為1/1547，均滿足高規(guī)要求。 

　　2）在結(jié)構(gòu)平面布置時為了加強結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，減少扭轉(zhuǎn)的影響，剪力墻盡量沿周邊布置，加大邊梁高度，弱化中間剪力墻并減小梁截面。計算結(jié)果顯示，在考慮偶然偏心的地震作用下，樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移與平均值的比值的最大值X 向為1.15（第44層），Y 向為1.18（第1層），均小于1.2，滿足規(guī)范要求。 

　　3）超高層建筑控制剛重比對結(jié)構(gòu)整體p-△效應(yīng)和整體穩(wěn)定性起著十分重要的作用，本工程X向和Y向剛重比分別為6.98和4.85，均大于2.7，可以不考慮重力二階效應(yīng)。 

　　4）本工程彈性時程分析選擇了5條天然波和2條人工波，所選七條時程波計算所得底部剪力均大于振型分解法所得底部剪力的65%，平均值大于振型分解法所得底部剪力的80%，且規(guī)范譜與地震波譜在主要振型周期點上的對比，其平均值均小于20%， 說明該組地震波其地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線“在統(tǒng)計意義上相符”。計算結(jié)果顯示彈性時程分析得到的基底剪力略小于振型分解反應(yīng)譜法的結(jié)果，但結(jié)構(gòu)的中上部時程分析的平均值大于反應(yīng)譜計算結(jié)果，在35層以上應(yīng)放大1.12倍。 

　　5 中震構(gòu)件承載力驗算 

　　對關(guān)鍵構(gòu)件、普通豎向構(gòu)件和耗能構(gòu)件均進(jìn)行了中震彈性和中震不屈服驗算，通過調(diào)整構(gòu)件的配筋進(jìn)行承載力復(fù)核，使所有構(gòu)件均滿足設(shè)定的性能目標(biāo)。嵌固層至5層在建筑沿縱向外邊緣墻肢在中震下出現(xiàn)了拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力均小于砼抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，本工程對于出現(xiàn)拉應(yīng)力的墻肢采取附加豎向鋼筋以抵消受拉墻肢的拉力，同時受拉墻肢的抗震等級按特一級進(jìn)行設(shè)計。 

　　6 大震靜力彈塑性分析 

　　本工程采用靜力彈塑性（Pushover）分析，用以評估結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的抗震性能，靜力側(cè)向荷載采用“CQC地震力”模式并同時補充“倒三角形”層剪力的加載模式對比復(fù)核。計算結(jié)果表明，在Pushover推覆過程中，當(dāng)推覆荷載相當(dāng)于7度設(shè)防的多遇地震荷載作用下時結(jié)構(gòu)無屈服情況出現(xiàn)，這也驗證了小震不壞的抗震設(shè)防要求。當(dāng)推覆荷載接近7度設(shè)防烈度地震作用下，結(jié)構(gòu)也基本處于彈性狀態(tài)，豎向受力構(gòu)件均未屈服，僅部分樓層的連梁和框架梁開始屈服參與結(jié)構(gòu)整體塑性耗能，但屈服程度不深。推覆荷載過中震后外側(cè)剪力墻開始出現(xiàn)受拉損傷，當(dāng)荷載達(dá)到7度罕遇地震作用力時加強區(qū)少數(shù)剪力墻開始進(jìn)入受拉屈服狀態(tài)，但整個過程墻肢未出現(xiàn)受壓損傷；非加強區(qū)剪力墻僅頂部個別墻肢進(jìn)入屈服狀態(tài)。在結(jié)構(gòu)塑性屈服過程中剪力墻的屈服時間明顯 

　　較連梁晚，數(shù)量也明顯少于連梁，約占10%左右，符合“強墻肢弱連梁”的概念設(shè)計原則；性能點處的基底剪力約為小震彈性分析下的4.48倍（x向）和4.07倍（y向），性能點對應(yīng)的最大層間位移角為1/279（x向）和1/264（y向），且大震性能點處結(jié)構(gòu)的能力曲線仍有上升趨勢，說明結(jié)構(gòu)仍有相當(dāng)?shù)陌踩珒�備，滿足大震設(shè)定的性能目標(biāo)。 

　　7 結(jié)論 

　　在結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，對于超限高層建筑的計算分析不僅應(yīng)用兩種軟件對小震下的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行力對比分析，保證力學(xué)分析結(jié)構(gòu)的可靠性。還要根據(jù)結(jié)構(gòu)自身的特性設(shè)定適當(dāng)?shù)男阅苣繕?biāo)，并對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行小、中、大震下的復(fù)核計算，對于大震計算，為真實反映結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性狀態(tài)下的抗震性能，應(yīng)采用彈塑性軟件進(jìn)行分析，確保結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性。該工程已于2013年7月通過竣工驗收，目前工程已正式投入使用一年多，效果良好，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計要求。