天津某超高層剪力墻結(jié)構(gòu)超限設(shè)計(jì)

賈 潮

(天津華匯工程建筑設(shè)計(jì)有限公司,天津 300381)

1 工程概況及設(shè)計(jì)條件

本工程位于天津?yàn)I海新區(qū)，總用地面積10 071.7 m2。整個工程工程由1棟超高層主樓與3棟附樓組成，總建筑面積132 837.04 m2，其中地上99 837.49 m2，地下32 999.55 m2。整個地塊設(shè)3層地下室，地下室總高度13.45 m，其中地下3層層高3.900 m，地下2層層高3.90 m，地下1層層高5.650 m。地下室主要用作車庫及設(shè)備機(jī)房。D區(qū)主塔地上48層，總高度178.100 m(裝飾架192.350 m)，其中首層,2層層高6.0 m，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.4 m,高寬比178.1/24.9=7.15(192.35/24.9=7.72)，采用剪力墻結(jié)構(gòu)。附樓A地上7層，總高度26.700 m,采用框剪結(jié)構(gòu)。附樓B、C地上4層，總高度20.700 m，采用框架結(jié)構(gòu)。本工程D區(qū)主塔地上主要用于公寓，附樓地上主要用于商業(yè)，主樓地上部分與附樓斷開。

本工程抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組?？拐鹪O(shè)防類別：丙類。建筑場地類別為Ⅳ類，場地土類型屬于軟弱土，根據(jù)安評報(bào)告特征周期0.65s。本場地屬可進(jìn)行建設(shè)的一般場地。本場地屬非液化場地，且可不考慮震陷的影響。本工程多遇水平地震影響系數(shù)最大值αmax=0.12，罕遇水平地震影響系數(shù)最大值αmax=0.72。主樓地上48層，采用混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，超B級超限高層，抗震設(shè)防類別為丙類，抗震措施按8度(0.20g)采用，鋼筋混凝土剪力墻抗震等級為一級;底部加強(qiáng)部位剪力墻，設(shè)備夾層及其上下層剪力墻采用特一級抗震構(gòu)造措施。豎向構(gòu)件底層部分采用高強(qiáng)度混凝土C60，向上逐漸遞減。

2 超限情況及相關(guān)措施

本工程主體高度178.100 m，為超B級高度超限高層；結(jié)構(gòu)樓層的最大水平位移和層間位移與該樓層平均值之比部分樓層大于1.2，為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；由建筑平面布局可知，本結(jié)構(gòu)局部存在“細(xì)腰”，為凹凸不規(guī)則。由于層高變化的原因，本樓有三部分側(cè)向剛度不滿足規(guī)范要求(54層為裝飾架結(jié)構(gòu))，分別為2層及上部兩個避難層處(在曲線圖中出現(xiàn)尖角處)，為軟弱層；其余主體結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比值均滿足規(guī)范要求。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將對兩個避難層及相鄰設(shè)備夾層上下各一層加強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)造。

針對重要部位，按地震作用水準(zhǔn)和建筑性能設(shè)計(jì)水準(zhǔn)，確定如下建筑抗震性能目標(biāo)，進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)?；谛阅艿脑O(shè)計(jì)方法是通過分析軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以證明結(jié)構(gòu)可以達(dá)到預(yù)定的性能目標(biāo)。在基于彈性反應(yīng)譜分析和彈性、彈塑性動力分析的基礎(chǔ)上，得出本工程在不同水平的地震作用下能夠達(dá)到的性能指標(biāo)，代表了結(jié)構(gòu)在不同水平地震作用下的預(yù)期抗震性能?？拐鹪O(shè)計(jì)性能目標(biāo)見表1。

表1 抗震設(shè)計(jì)性能目標(biāo)

3 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算

3.1 小震彈性分析結(jié)果

結(jié)構(gòu)方案計(jì)算采用下述兩種計(jì)算程序，并對結(jié)果進(jìn)行分析比較。所用計(jì)算程序?yàn)椋褐袊ㄖ茖W(xué)研究院編制的多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)PKPM系列軟件STAWE進(jìn)行計(jì)算分析，還采用了由北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司基于三維的建筑結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)系統(tǒng)(Midas Building)開發(fā)的結(jié)構(gòu)大師進(jìn)行對比分析。計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。小震主要計(jì)算結(jié)果見表2,小震彈性時(shí)程計(jì)算結(jié)果見表3。

表2 小震主要計(jì)算結(jié)果

表3 小震彈性時(shí)程計(jì)算結(jié)果

3.2 多遇地震下彈性時(shí)程分析

采用三組強(qiáng)震加速度記錄作為動力時(shí)程分析的地震波輸入，一組為與設(shè)計(jì)目標(biāo)反映譜相符的人工模擬加速度時(shí)程，其余二組為真實(shí)強(qiáng)震加速度記錄。由彈性時(shí)程分析中的三條時(shí)程曲線作用下的基底剪力均大于反應(yīng)譜法的65%，且平均值大于反應(yīng)譜法的80%，滿足規(guī)范要求。以其作為地震輸入計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)結(jié)果可作為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)依據(jù)的補(bǔ)充。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)地震作用取包絡(luò)值。

3.3 中震計(jì)算分析

為保證中震下剪力墻不發(fā)生剪壓破壞，在考慮中震荷載組合作用下，對剪力墻的截面進(jìn)行了驗(yàn)算。分別按中震彈性、中震不屈服對相應(yīng)各部位剪力墻進(jìn)行了截面驗(yàn)算。通過比較剪力墻截面中的最大剪力與截面抗剪能力的比即可驗(yàn)算其截面是否滿足要求。通過計(jì)算，結(jié)果表明各剪力墻均可滿足中震條件下截面抗剪驗(yàn)算的要求。按照偏拉、偏壓構(gòu)件計(jì)算后，各墻肢均可滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 大震不屈服分析(剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)大震下抗剪截面控制計(jì)算)

為保證大震下剪力墻不發(fā)生斜壓破壞，在考慮大震組合作用下對剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)的截面進(jìn)行了驗(yàn)算。大震作用下通過調(diào)整地震影響系數(shù)最大值使得按照彈性計(jì)算得到的基底剪力值與彈塑性三條時(shí)程波計(jì)算基底剪力結(jié)果的平均值相符，按其結(jié)果對剪力墻的截面進(jìn)行了驗(yàn)算。結(jié)果表明各剪力墻均可滿足大震下截面抗剪驗(yàn)算的要求。

3.5 大震下非線性地震反應(yīng)分析與抗震性能評價(jià)

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)經(jīng)插值取彈塑性最大位移角限值為1/135。驗(yàn)算主樓在罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)抗震性能，計(jì)算薄弱層位移反應(yīng)和變形能力，判斷結(jié)構(gòu)在大震作用下是否滿足規(guī)范規(guī)定的層間位移角限值，判斷結(jié)構(gòu)的薄弱層和薄弱構(gòu)件所在位置，對重要的構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)，考察其是否能夠滿足結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)“大震不倒”的設(shè)計(jì)思想。非線性地震反應(yīng)分析采用中國建筑科學(xué)研究院PKPMCAD工程部多層及高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性動力分析軟件EPDA軟件進(jìn)行了計(jì)算分析。

本工程所用地震記錄由天津市地震工程研究所檢測中心提供的一組人工波，兩組天然波，地面最大加速度主方向取310 cm/s2，次方向取264 cm/s2，特征周期0.70 s，阻尼比0.06，計(jì)算持續(xù)時(shí)間25 s。

從彈塑性動力時(shí)程分析可以看出，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下，三組波計(jì)算的罕遇地震下結(jié)構(gòu)的最大層間位移角均小于1/135，滿足規(guī)范要求；塑性鉸首先出現(xiàn)在連梁上，隨著時(shí)間的推移出現(xiàn)在框架梁上，剪力墻裂縫出現(xiàn)在底部和頂部及避難層，且受壓和受拉裂縫均出現(xiàn)在端部，為防止受拉裂縫和受壓裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，在施工圖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將在端部及避難層上下層加強(qiáng)構(gòu)造措施，以增加剪力墻的延性。

根據(jù)主塔在罕遇地震作用下的非線性地震反應(yīng)分析所得到的結(jié)果以及結(jié)構(gòu)的抗震性能評價(jià)，可以得出以下結(jié)論：目前采用的結(jié)構(gòu)體系與方案，以及構(gòu)件尺寸、強(qiáng)度設(shè)計(jì)滿足大震作用下結(jié)構(gòu)不倒塌的抗震性能目標(biāo)。罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)整體及各構(gòu)件的抗震性能滿足本報(bào)告提出的性能目標(biāo)。

4 結(jié) 語

工程屬超B級高度、平面不規(guī)則的超限高層建筑。由于在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采取了合理的結(jié)構(gòu)布置，并采取了有效的抗震措施，從而減輕了平面不規(guī)則帶來的不利影響，使得結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能，計(jì)算結(jié)果滿足現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)程的要求。罕遇地震作用下層間位移角最大值小于規(guī)范規(guī)定的層間位移角限值1/135，可滿足大震不倒的要求。通過中震、大震計(jì)算分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)能夠滿足預(yù)定的抗震性能目標(biāo)。

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