超高层住宅剪力墙结构抗震性能化设计

[关键词]超高层；住宅；性能化设计；关键构件；时程分析；静力弹塑性分析 

　　1 工程概况： 

　　本工程为合肥市政务文化新区某项目中的9#楼，为超高层住宅楼，东西长70.8米，南北宽19.6米，地上41F，地下-2F，总建筑面积5.36万 m2，标准层高3.6米，总高147.6m，高宽比7.53。建筑立面和剖面见图1，2所示。 

　　本工程设计使用年限为50年，结构安全等级为二级；基本风压为0.35KN/m2，本工程对风荷载较敏感，承载力设计时按基本风压的1.1倍采用，风载体系系数取1.4。建筑场地类别为II类，抗震设防烈度为7度，特征周期Tg=0.35s，阻尼比取0.05；地下室顶板作为上部结构的嵌固端。  

　　2 结构体系与布置 

　　本工程为纯剪力墙结构，其抗侧力及竖向承重体系主要为剪力墙、连梁以及框架梁形成整体结构体系，主要墙肢的厚度随楼层变化依次为350（-2F～10F）、300（11F～18F） 、250（19F～25F） 、200（26F～41F）；砼强度等级依次从下向上由C60变化到C30。楼面采用现浇钢筋混凝土梁板，砼强度等级均为C30，楼层及屋面板厚一般取120mm，其中对跨度较大（6.5x9.0米）的客厅板厚取160mm，对于左右单元连接薄弱部位板厚取140mm；地下室顶板180mm.；为增加结构的整体抗扭刚度楼面梁位于建筑四周的边梁高取900mm，内部梁高根据跨度和荷载情况取200mm～600mm，梁宽同墙厚；剪力墙抗震等级为一级。 

　　3 超限情况与抗震性能目标 

　　根据高规、抗规和《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》的有关规定本工程高度超过120米，为高度超限；一般不规则超限仅有一项，主要是门厅部位楼板有效宽度小于50%。针对超限情况对本工程进行了抗震性能化设计，对重要部位的构件有针对性的设置适当的抗震性能目标，针对不同部位的构件设定其在小震、中震、大震下性能目标如下。 

　　1）小震：要求结构整体完好、无损坏，所有构件为弹性；最大层间位移角限值小于1/1000。 

　　2）中震：对于底部加强区墙肢（关键构件）要求满足受弯不屈服，受剪弹性；底层门厅位置的跨层墙要求中震弹性；普通竖向构件要求不屈服；连梁、框架梁要求屈服不超过50%；中震下结构最大层间位移角限值小于1/350。 

　　3）大震：对于底部加强区墙肢（关键构件）要求满足受剪不屈服，受弯屈服不超过10%；底层跨层墙要求不屈服；普通竖向构件要求受弯屈服不超过50%，受剪截面满足截面限值条件；结构弹塑性最大层间位移角限值小于1/135。 

　　4 结构弹性分析 

　　1）结构弹性分析分别采用SATWE和PMSAP软件进行。弹性分析采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法并考虑偶然偏心的影响。分析结果表明两中软件计算的自振周期、结构总质量和基底总剪力结果相差均小于3%，说明两种模型分析结果基本一致且第一扭转周期与第一平动周期之比小于0.85，有效质量参与系数大于95%；楼层层间最大位移与层高之比△u/h为1/1547，均满足高规要求。 

　　2）在结构平面布置时为了加强结构的抗扭刚度，减少扭转的影响，剪力墙尽量沿周边布置，加大边梁高度，弱化中间剪力墙并减小梁截面。计算结果显示，在考虑偶然偏心的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移与平均值的比值的最大值X 向为1.15（第44层），Y 向为1.18（第1层），均小于1.2，满足规范要求。 

　　3）超高层建筑控制刚重比对结构整体p-△效应和整体稳定性起着十分重要的作用，本工程X向和Y向刚重比分别为6.98和4.85，均大于2.7，可以不考虑重力二阶效应。 

　　4）本工程弹性时程分析选择了5条天然波和2条人工波，所选七条时程波计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%，且规范谱与地震波谱在主要振型周期点上的对比，其平均值均小于20%， 说明该组地震波其地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线“在统计意义上相符”。计算结果显示弹性时程分析得到的基底剪力略小于振型分解反应谱法的结果，但结构的中上部时程分析的平均值大于反应谱计算结果，在35层以上应放大1.12倍。 

　　5 中震构件承载力验算 

　　对关键构件、普通竖向构件和耗能构件均进行了中震弹性和中震不屈服验算，通过调整构件的配筋进行承载力复核，使所有构件均满足设定的性能目标。嵌固层至5层在建筑沿纵向外边缘墙肢在中震下出现了拉应力，但拉应力均小于砼抗拉强度标准值，本工程对于出现拉应力的墙肢采取附加竖向钢筋以抵消受拉墙肢的拉力，同时受拉墙肢的抗震等级按特一级进行设计。 

　　6 大震静力弹塑性分析 

　　本工程采用静力弹塑性（Pushover）分析，用以评估结构在罕遇地震作用下的抗震性能，静力侧向荷载采用“CQC地震力”模式并同时补充“倒三角形”层剪力的加载模式对比复核。计算结果表明，在Pushover推覆过程中，当推覆荷载相当于7度设防的多遇地震荷载作用下时结构无屈服情况出现，这也验证了小震不坏的抗震设防要求。当推覆荷载接近7度设防烈度地震作用下，结构也基本处于弹性状态，竖向受力构件均未屈服，仅部分楼层的连梁和框架梁开始屈服参与结构整体塑性耗能，但屈服程度不深。推覆荷载过中震后外侧剪力墙开始出现受拉损伤，当荷载达到7度罕遇地震作用力时加强区少数剪力墙开始进入受拉屈服状态，但整个过程墙肢未出现受压损伤；非加强区剪力墙仅顶部个别墙肢进入屈服状态。在结构塑性屈服过程中剪力墙的屈服时间明显 

　　较连梁晚，数量也明显少于连梁，约占10%左右，符合“强墙肢弱连梁”的概念设计原则；性能点处的基底剪力约为小震弹性分析下的4.48倍（x向）和4.07倍（y向），性能点对应的最大层间位移角为1/279（x向）和1/264（y向），且大震性能点处结构的能力曲线仍有上升趋势，说明结构仍有相当的安全储备，满足大震设定的性能目标。 

　　7 结论 

　　在结构设计的过程中，对于超限高层建筑的计算分析不仅应用两种软件对小震下的整体结构进行力对比分析，保证力学分析结构的可靠性。还要根据结构自身的特性设定适当的性能目标，并对结构构件进行小、中、大震下的复核计算，对于大震计算，为真实反映结构进入塑性状态下的抗震性能，应采用弹塑性软件进行分析，确保结构在地震作用下的安全性。该工程已于2013年7月通过竣工验收，目前工程已正式投入使用一年多，效果良好，达到了预期的设计要求。