某超限高层剪力墙结构抗震设计

关键词： 超限高层 剪力墙结构 抗震性能设计 

　　1 工程概况 

　　某规划高层建筑住宅为全现浇钢筋混凝土剪力墙结构，建筑层数51层，地下2层，地下二层结构层高为4.5 m，地下一层结构层高为5.0 m；地面首层层高4.0 m，其他以上均为3.0 m层高的住宅，建筑至大屋面高度为154 m。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）判定，该结构为B级高度钢筋混凝土结构超高层建筑。根据《建筑抗震设防分类标准》（GB50223-2008），本工程的抗震设防类别为标准设防类，结构安全等级为二级，结构设计使用年限为50年。本工程结构超限类型及超限程度属高度超限、平面扭转不规则、平面凸凹不规则的超限高层建筑。 

　　2 结构体系设计 

　　本工程抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05 g，设计地震分组为第一组。地质报告显示，建筑所处场地土类型为中软场地土，场地类别为Ⅱ类。 

　　楼面采用全现浇钢筋混凝土梁板式结构。根据建筑功能要求并结合结构抗侧刚度的需要，在建筑物外围、转角处，利用电梯井、楼梯间、设备用房等处均匀设置剪力墙，剪力墙底部厚为400 mm，从下向上逐渐减薄到200 mm。楼梯间及电梯井核心筒与周围竖向构件相连处的楼板厚度采用150 mm，大屋面的楼板厚度为150 mm。上部结构的嵌固端为地下室顶板。主楼地上部分剪力墙、连梁及框架梁抗震等级均为二级，地下室一层抗震等级为二级，地下室二层抗震等级为三级。主楼基础采用桩筏基础，筏板厚度h=2.600 m，桩基采用钢筋混凝土后注浆钻孔灌注桩，桩径为1200 mm，桩单桩竖向抗压承载力特征值Ra=7600kN，桩端进入持力层深度不小于10 m，有效桩长不小于30 m，工程桩桩身混凝土强度等级为C40。本工程为B级高度高层建筑，属超限高层建筑，确定抗震性能目标为D级。 

　　3 结构抗震性能设计思路 

　　（1）根据多遇地震及风荷载等荷载作用下的弹性计算结果，按现行规范进行结构设计。 

　　（2）利用屈服判别法进行设防烈度地震作用下结构构件的屈服验算，对结构的损伤程度进行分析。 

　　（3）通过静力弹塑性方法验算罕遇地震作用下的弹塑性层间位移角等指标是否满足规范要求，并对结构的损伤程度进行分析，确定结构薄弱部位，提出结构抗震加强措施。 

　　4 多遇地震作用下的弹性分析 

　　（1）根据高规5.1.12条规定，结构计算采用两个不同力学模型的三维空间分析软件进行整体内力位移计算，并进行对比分析。 

　　（2）根据高规5.1.13条规定，抗震设计时，考虑平扭耦联计算结构的扭转效应（CQC法），振型数不小于15，且各振型参与质量之和不小于总质量的90%。 

　　（3）考虑双向水平地震作用下的扭转效应。 

　　（4）计算单向地震作用下的扭转位移比（考虑偶然偏心的影响）。 

　　（5）各种计算均考虑施工过程的模拟。 

　　（6） SATWE/PMSAP/Midas弹性计算对比如下： 

　　a.SATWE前三周期分别为3.95、3.84、3.11，PMSAP前三周期分别为4.10、3.94、3.27，PMSAP前三周期分别为4.13、4.04、3.41； 

　　b.SATWE最大层间位移角1/1211 （X向地震）、1/1303 （Y向地震）、1/2442 （X向风）、1/2519 （Y向风）；PMSAP最大层间位移角 1/1194 （X向地震）、1/1241 （Y向地震）、1/2526 （X向风）、1/2633 （Y向风）； 

　　c. 三种计算位移比分别为1.37、1.35、1.34；有效质量系数分别为98.1%、98.4%、98.3%。 

　　5 中震弹性及中震不屈服验算 

　　在设防烈度地震（中震）作用下，关键构件（底部加强区的核心筒、底部加强区外围的剪力墙）竖向构件的正截面承载力和受剪承载力均符合规定；关键构件均满足中震不屈服的要求。部分楼层的框架梁、连梁出现较轻微的抗弯屈服，进入屈服阶段，但其受剪承载力未出现明显退化，属于局部延性损坏，经一般修理可继续使用。结构在设防烈度地震（中震）作用下能达到预期的性能目标。 

　　6 大震作用下弹塑性分析 

　　采用MIDAS/Gen进行大震作用下的结构静力弹塑性分析（Pushover分析），在MIDAS/Gen中使用ATC-40（1996）和FEMA-273（1997）提供的能力谱法来对建筑物的抗震性能进行评价。 

　　在本工程的Pushover分析中，选择三种类型的水平荷载分布模式，即模态分布模式、加速度常量分布模式和风荷载工况倒三角分布模式。考虑到结构布置及荷载分布的非对称性，每种荷载分别按X、Y两个主方向加载。Pushover分析完成后，由结构塑性铰的分布，判断结构薄弱位置，根据塑性铰所处的状态，检验结构构件是否满足大震作用下性能水准的要求。 

　　分析各个工况的能力谱曲线有以下特点： 

　　（1）在设定目标范围内，各荷载工况下得到的能力曲线均平滑上升，未出现陡降段或突变段。各能力谱大震需求谱均有交点。 

　　（2）结构在X方向和Y方向的结构刚度和强度较为一致。 

　　（3）模态分布加载模式更不利，而加速度常量加载模式过于保守。同时这也说明了推覆分析的结果在很大程度上依赖于水平荷载分布模式，选择多种加载模式并相互校验有利于对结构抗震性能的更好掌握。 

　　7 结语 

　　本工程为B级高度钢筋混凝土高层建筑，针对本工程采用了抗震性能设计方法，确定抗震性能目标为D级。 

　　（1）用三个空间分析程序SATWE、PMSAP和MIDAS进行计算，施工图设计时取三个程序计算得到的不利结果进行结构构件的设计。 

　　（2）根据静力弹塑性的分析结果，对结构中塑性状态程度较深的框架梁，将考虑适当加大截面、提高配筋率，以提高其承载力，防止这些部位发生较大的破坏。 

　　（3）本工程能达到“小震不坏”“大震不倒”的抗震设防要求。 

　　（4）通过合理的结构设计和采取适当的抗震加强措施，本工程能达到预期的性能目标。