江陰某超限高層住宅結構設計與分析

劉玉

（江蘇省建筑設計研究院股份有限公司，南京 210019）

1 工程概況

本工程位于江陰市城市客廳C 區域A 地塊，總建筑面積為24.1 萬m2，地上總建筑面積18.3 萬m2。地上6#、9#、10#、11#樓為15～34 層的高層住宅樓，12#、13#樓為7 層商辦樓，8#樓為46 層的超高層住宅樓。地上各棟單體通過地下停車庫連成一整體，地下1 層層高為3.4 m。8#樓及南側局部設置兩層地下室，地下2 層層高為3.4 m，地下1 層層高為5.45 m（含夾層，夾層層高為2.75 m）。

8#樓位于場地東北側，地上由兩棟左、右對稱單元組成，左右單元設置抗震縫，形成獨立的結構單體，縫凈寬度不小于400 mm，均采用剪力墻結構，標準層層高3.05 m，建筑高度均為140.95 m，單塔建筑平面長度為28.9 m，寬度為22.2 m。建筑效果圖如圖1 所示。

圖1 建筑效果圖

本工程結構設計使用年限為50 年，抗震設防類別為標準設防（丙類），結構安全等級為二級，地基基礎設計等級為甲級，建筑樁基設計等級為甲級，抗震設防烈度為6 度(0.05g)，場地類別為Ⅳ類，場地特征周期0.75 s?；撅L壓0.45 kN/m2，按此基本風壓的1.1 倍進行結構承載力計算，風載體型系數為1.54（考慮周邊建筑風力干擾系數1.1）[1]。地面粗糙度為B 類。

2 結構方案

本工程采用鋼筋混凝土剪力墻結構。根據建筑平面使用功能的要求合理布置剪力墻，以達到傳力明確、有效抵抗地震力和風荷載的效果。

剪力墻沿高度方向連續，基礎頂～27 層樓面剪力墻厚300 mm，27 層～屋面剪力墻厚200 mm。夾層樓板（-2.75 m）作為上部結構的嵌固部位，地下室頂板（-0.07 m）考慮實際嵌固作用，板厚均不小于180 mm，配筋率均不小于0.25%。塔樓標準層樓板厚度120 mm，衛生間和陽臺板厚90 mm。剪力墻混凝土強度等級從C60 漸變為C30，其余梁板混凝土強度等級均為C35。標準層結構平面布置如圖2 所示。

圖2 8#樓標準層結構平面圖

3 結構超限判別

根據JGJ 3—2010 《高層建筑混凝土結構技術規程》[2]（以下簡稱《高規》），以及《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》（建質[2015]67 號）中對不規則項指標的相關規定，本工程主體結構屋面標高為140.95 m，抗震設防烈度超過6度區A 級高度剪力墻結構最大適用高度限值140 m，但未超過B 級高度170 m，故為B 級高度超高層。此外，本工程建筑的高寬比為6.41，超過6 度區全部落地剪力墻最大高寬比6限值，高寬比超限。

本工程還存在考慮偶然偏心的扭轉位移比大于1.2、小于1.4 的扭轉不規則項。

根據本工程的超限程度，結合超限審查專家意見，確定剪力墻為關鍵構件。具體抗震性能目標如表1 所示。

表1 結構抗震性能目標

4 結構計算及分析結果

4.1 小震下的反應譜分析

根據《高規》5.1.12 條規定，本工程主體結構采用PKPM和MIDAS 兩種不同力學模型軟件進行計算，并對計算結果進行比較分析。計算地震作用時，采用考慮扭轉耦聯振動影響的振型分解反應譜法，并考慮±5%偶然偏心和雙向水平地震作用（兩者不同時考慮）。兩種軟件中材料力學參數和地震參數設置均一致。夾層樓板作為上部結構的嵌固端，帶入地下室相關范圍進行上部結構計算。兩種軟件的計算結果對比如表2所示。

表2 結構總體指標計算結果對比

通過對比分析，兩個不同計算內核的結構分析軟件計算結果相近，說明模型及計算結果是合理且有效的，計算模型符合結構實際工作狀態，可作為結構設計依據；結構設計采用PKPM 軟件計算結果可靠，能夠滿足多遇地震下的安全要求。

4.2 彈性動力時程分析

本工程采用PKPM 對建筑結構進行了彈性動力時程分析。作為多遇地震下的補充計算，選用PKPM 自帶的兩條人工波和五條天然波，地震波反應譜與規范反應譜對比如圖3所示。

圖3 所選地震波反應譜與規范反應譜對比圖

結果表明，每條時程分析曲線計算所得的結構底部剪力均大于振型分解反應譜法計算結果的65%，7 條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值大于振型分解反應譜法計算結果的80%，彈性時程分析結果滿足規范要求；位移曲線無較大突變，結構側向剛度較為均勻，結構體系無明顯薄弱層；時程反應包絡值接近反應譜計算結果，X向、Y向最大層間位移角均滿足規范的限值要求。7 條時程曲線分析得出的局部樓層剪力平均值略大于反應譜分析結果，設計時對反應譜法計算所得的地震剪力局部樓層應按比例進行放大。

4.3 結構抗震性能化設計

按照設定的性能目標要求，采用SATWE 軟件進行中震及大震作用下構件承載力驗算，以確定其達到設定的性能目標要求。計算分析時，均不需考慮風荷載作用、地震力調整、偶然偏心及活荷載不利布置，周期折減系數和中梁剛度放大系數均取1.0。連梁剛度折減系數中震取0.4，大震取0.25；地震影響系數最大值中震取0.12，大震取0.28；阻尼比中震取0.05，大震取0.075；場地特征周期中震取0.75 s，大震取0.80 s。其余參數由軟件根據性能目標自動處理。

通過對底部加強部位墻肢中震不屈服計算，各墻肢拉應力均小于混凝土抗拉強度標準值ftk，滿足規范要求。底部加強區剪力墻抗剪、抗彎鋼筋均按中震彈性計算，墻肢未出現超筋超限現象。在加強區以上二層設置過渡層，按底部加強區要求，并和小震計算結果進行包絡。中震下出現小偏心受拉的墻肢按特一級抗震構造設計。通過對剪力墻大震不屈服計算，剪力墻墻肢截面可以滿足抗剪截面控制要求。

4.4 彈塑性靜力推覆分析

根據《高規》，高度不超過150 m 的高層建筑，可采用靜力彈塑性分析方法。本工程塔樓高度為140.95 m，平面較規則，可采用彈塑性靜力分析法，選用PKPM 的PUSH&EPDA 彈塑性靜力分析模塊作為分析工具。

計算結果表明，罕遇地震作用下，結構最大彈塑性層間位移角為1/284，滿足規范1/120 的位移角限值要求。

從梁、墻破壞鉸圖可以看出，罕遇地震作用下，整個結構連梁首先產生塑性鉸，且進入塑形階段的時間也比較早，分布也比較廣泛，發揮了較大的耗能能力；墻產生塑性鉸的數量很少，主要分布在底部加強區，損傷程度較小，滿足“大震不倒”的設防目標。結構設計時，適當地提高底部加強區墻體的配筋率，以提高結構的整體性能。

5 針對結構超限采取的加強措施

為提高結構具有很好的承載能力和延性，針對本工程超限情況，結構設計主要采取以下加強措施。

1）合理布置結構豎向構件，減小質心與剛心的偏差，降低結構扭轉的不利影響；加強外圍剛度，外圍墻體開洞處采用強連梁連接，提高結構的抗扭轉能力。

2）提高墻體配筋率，底部加強區剪力墻墻身豎向和水平分布鋼筋配筋率提高至0.30%；在6～7 層設置2 層過渡層，過渡層的剪力墻配筋同約束邊緣構件；過渡層以上構造邊緣構件配筋率提高至0.7%；剪力墻配筋采用小震和中震分析結果包絡設計。

3）嚴格控制地上塔樓間抗震縫寬度不小于400 mm，滿足中震彈性結構變形要求，以提高結構的抗震安全性。

4）針對高寬超限，采用兩種不同力學模型軟件對小震和風荷載作用下的結構抗傾覆驗算，保證基礎底面與地基之間不出現零應力區。

6 結語

本工程屬于高寬比超限的B 級高度高層建筑，存在1 個不規則項，沒有特別不規則項?？拐鹪O防烈度6 度區基本風壓較大，結構小震下地震反應小于風荷載反應。在結構設計時，采用兩種不同力學模型的空間分析軟件SATWE 與MIDAS對整體結構進行彈性計算，并進行對比分析，各項指標均滿足規范相關要求。針對超限，依據不同性能目標對結構構件進行小、中、大震分析，并采取加強措施。論文分析結果表明，本工程主體結構體系安全可行，結構設計合理，計算結果滿足現行規范要求，符合“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震性能目標。