某超B级高度L形平面剪力墙结构设计

2015-12-11 09:18林伟松

福建建筑 2015年8期

林伟松

(厦门合道工程设计集团有限公司福建厦门 361004)

1 工程概况

鹭城广场项目位于厦门火车站商圈，北临厦禾路，南侧为南方大饭店，西侧为东南亚大酒店，东侧为银河大厦。项目总用地面积10623.92m2，总建筑面积约14万平方米。设计采用板式布局方式，两栋L形超高层住宅与其之间的会所形成一个围合的社区。沿厦禾路以及东西侧的市政道路设置两层沿街店面。设置三层地下室及一层半地下室，同时与地面停车相结合。(图1)为建筑总平面图，(图2)为总平鸟瞰图。

图1 建筑总平面图

1#楼采用不设缝的 L型平面，长46.7m，宽 46.9m，主要屋面高度184.65m，顶部高度196.65m。采用钢筋混凝土剪力墙结构体系。L形的肢长为31.9m、29.4m，肢的典型宽度为17.5m、14.8m，肢之间的夹角为90°。地下一至三层为车库及设备用房，层高3.6～3.8m;半地下室为店面、门厅及车库，层高5.05m;底层为架空、门厅，层高6.55m;2～9层为办公、住宅，层高3m;10～59层为住宅，层高3m;其中15、30、45 层为避难层，层高 3m。

建筑抗震设防类别为丙类;建筑结构安全等级为二级;所在地区的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度0.15g，设计地震分组第二组，场地类别Ⅱ类，50年一遇的基本风压0.8kN/m2，地面粗糙度为C类。

图2 总平鸟瞰图

2 结构形式及复杂性分析

2.1 地上结构概况

图3 1#楼加强区域示意图

1#楼采用剪力墙结构体系，结构平面布置见(图3)。由于地上一层结构高度为6.55m与二层层高3m有层高突变，为控制底层不同时出现软弱层与薄弱层，调整墙体截面，且在满足《高规》[1]关于侧向刚度的要求下，强制指定底层为薄弱层，地震剪力放大1.25倍。建筑外墙边缘构件中设置构造型钢范围由基础顶至建筑总高度的1/3。地下室部分按主楼带2～3跨地下室建模。剪力墙厚度见(表1)。

表1 剪力墙厚度表

楼面结构采用钢筋混凝土梁板楼面体系，连梁截面为400×1500～200×550，框架梁截面为400×550～200×400。楼板厚度100mm～120mm。

2.2 结构复杂性分析

(1)1#总高度为184.65m(4.65m半地下室+180m塔楼)，为超B级高度超限高层。

(2)扭转不规则，最大扭转位移比1.39大于1.2。

(3)凹凸不规则，lx/Bmax=62.9%ly/Bmax=68.3%。

(4)刚度突变，底层刚度小于上一层70%或上三层的80%。

(5)沿厦禾路一侧半地下室为沿街店面。

3 针对结构复杂性采取的措施

3.1 针对超限情况采取的加强措施

(1)高度超限

根据《高规》5.1.12条要求，主楼采用两种不同力学模型的结构分析软件进行整体计算对比。根据《高规》5.1.13条，采用弹性时程分析法作为小震作用下的补充计算，采用静力弹塑性或动力弹塑性分析法进行补充计算。根据《高规》3.9.4条，7度时B级高度剪力墙结构抗震等级为一级，因本工程高度超B级，将剪力墙抗震等级提高至特一级。根据《高规》3.11.1条，设定主体结构的抗震性能目标为D级，关键构件性能水准按高于D级。

(2)扭转不规则

调整结构布置，尽量减少结构的质量和刚度的偏心，控制考虑偶然偏心影响下结构位移比不大于1.4。补充模型按地震作用最大方向30o旋转的小震、中震和大震计算，并与正交方向比较进行包络设计。斜交方向风荷载体型系数按《高规》附录 B取值。采用SATWE特殊风荷载计算。

(3)平面凹凸不规则

L形连接两肢的连接板是楼板的薄弱部位，适当增加连接部位楼板板厚不小于120mm，采用弹性膜假定分析连接板平面内应力，根据应力配置双层双向钢筋网进行加强。L型平面各层内凹角处应力集中较为严重，在内凹角采光井处，做800x400的宽扁梁，连接板厚度取150mm，双层双向配筋。内凹角周边剪力墙全高按约束边缘构件进行配筋加强。对于建筑平面分户采光井中存在较多开洞和凹入的情况，在凹口处设置不小于2m的拉板，楼板板厚不小于120mm，且板筋采用双层双向拉通，提高楼板的抗剪能力，保证结构的整体性。

(4)刚度突变

由于底层高度为6.55m，二层高度为3m，合理调整抗侧力构件布置减小结构刚度的变化，确保底层与二层的侧向刚度比在考虑层高修正时为1.12，不小于1.1的规范限值。底层与二层的受剪承载力之比为1.09，不小于0.8的规范限值。同时，强制指定底层为薄弱层，地震剪力放大1.25倍。

(5)半地下室:主要计算模型按3层地下室、嵌固端在负一层顶板计算，并用4层地下室、嵌固端在半地下室顶板复核墙体配筋。

3.2 结构性能设计采取的加强措施

设定主体结构的抗震性能目标为D级，关键构件性能水准按高于D级设计。本工程关键构件除了常规的底部加强区剪力墙外，对扭转变形较大部位的L型两端各3榀剪力墙全高也按关键构件进行性能设计。针对性能目标采取如下加强措施:

(1)底部加强区剪力墙、L型两端各3榀剪力墙全高按“中震抗剪弹性、抗弯不屈服”设计。

(2)底部加强区剪力墙在中震下出现小偏心受拉且拉应力超过砼抗拉强度标准值时及其他配筋较大的墙体内设置型钢，以提高剪力墙抗弯承载力和抗震延性。

(3)所有竖向构件在罕遇地震作用下，受剪均满足截面要求。

(4)全楼约束边缘构件应设置至轴压比不大于0.25处，但不超过建筑总高度的1/3。

(5)采用弹性时程分析法进行小震作用下的补充计算，地震效应按时程法与振型分解反应谱法取大值以充分考虑高阶振型的作用。

(6)L形连接两肢的连接板按“小震不裂、中震弹性”设计。

(7)根据罕遇地震弹塑性分析结果，验算大震作用下的结构变形，并对结构薄弱部位进行设计加强。

4 结构计算分析结果

4.1 结构多遇地震及风荷载分析

(1)多遇地震及风荷载作用下计算结果详(表2)。

表2 主楼结构分析主要结果对比

(2)各阶振型参与质量比重图详(图4)，从图中可以看出当振型参与质量达到90%时，所需的振型分别为X向32阶，Y向35阶。本工程取45个振型，以考虑高阶振型对结构的影响。此时各方向质量参与比重分别为X向95.6%，Y向94.8%，振型参与质量之和均不小于总质量的90%，可满足规范要求。

图4 各阶振型参与质量比重图

(3)L形高层建筑在地震作用下的扭转振动难以避免。主要因为建筑形体的原因，建筑质量分布不均匀，结构的质量和刚度的偏心等。结构的前2阶振型均包含有扭转效应，但第一扭转周期与第一平动周期、第二平动周期比值均远小于0.85，结构抗扭刚度较好。第二平动周期与第一平动周期比值大于0.9，两个主轴方向刚度接近，动力特性相近。结构的前3阶振型图见(图5～图10)。

(4)最大层间位移对应节点的位移、层间位移角、层间位移比详(图11～图15)。

(5)风振舒适性分析

根据《高规》3.7.6条，房屋高度超过150m的高层混凝土建筑应满足风振舒适度要求。按《荷载规范》[3]附录 J验算，采用 10年一遇风荷载标准值0.5kN/m2，结构阻尼比2%计算。X向顺风向顶点最大加速度0.134m/s2，X向横风向顶点最大加速度0.047m/s2，Y向顺风向顶点最大加速度0.135m/s2，Y向横风向顶点最大加速度0.052m/s2。均小于规范限值0.15m/s2，满足要求。

(6)楼板应力分析

根据文献[2]对楼板薄弱部位的平面内应力分析及其抗震设计进行了深入探讨，并指出应采用“分块刚性力学模型”对具有薄弱楼板连接的主体结构进行分析设计，并给出了楼板平面内力分析及设计的推导公式。

本工程采用PMSAP进行整楼板应力分析时，取消“强制刚性楼板假定，并将连接结构的楼板指定为弹性膜”。

小震作用下，按裂缝控制等级二级，采用混凝土抗拉强度标准值作为控制连接板混凝土核心层开裂的指标，主拉应力标准值要满足下式:σ1k，小震≤ftk

图5 SATWE第一振型(X向)

图6 SATWE第二振型(Y向)

图7 SATWE第三振型(扭转)

图8 PMSAP第一振型(X向)

图9 PMSAP第二振型(Y向)

图10 PMSAP第三振型(扭转)

图11 最大层间位移对应的节点、刚心与质心坐标

式中，ftk为混凝土抗拉强度标准值，σ1k，小震为有地震作用效应组合时连接板在小震作用下的主拉应力标准值。

图12 X向地震最大层间位移角

图13 Y向地震最大层间位移角

图14 X向地震最大层间位移比

图15 Y向地震最大层间位移比

结果表明，在小震作用下，主体结构的楼板应力分布较为均匀，在楼层边缘与剪力墙交接部位有部分应力集中现象，但绝大部分楼板拉应力在1.8MPa，未超过混凝土C30的抗拉强度标准值2.01MPa。故可满足小震不裂的性能目标。

图16 层间位移角最大楼层X向地震楼板主应力图(拉应力为0.27～1.8MPa)

图17 层间位移角最大楼层Y向地震楼板主应力图(拉应力为0.27～1.8MPa)

(7)弹性时程分析

本工程场地土类别为Ⅱ类，设计地震分组为第二组，根据安评报告，特征周期Tg=0.45s，加速度峰值取为57cm/s2，有效持续时间不小于结构基本自振周期的5倍，即不小于17.7s，间隔0.02s。

结合安评报告提供的时程地震波数据，选取5条天然波(TH4TG045、User1、User2、User3、User4)，2 条人工波(RH3TG045、User10)进行弹性时程分析。

弹性时程分析结果表明:

①每条时程曲线计算所得结构底部剪力均不小于振型分解反应谱法计算结果的65%且不大于振型分解反应谱法计算结果的135%;多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值大于振型分解反应谱法计算结果的80%且小于振型分解反应谱法计算结果的120%，所选地震波符合规范要求。

图18 规范谱与地震波谱对比图

图19 X向楼层剪力包络图

图20 Y向楼层剪力包络图

②各条地震波时程分析的楼层剪力及位移变化特征与CQC法基本一致，最大基底剪力小于CQC法计算结果，全楼地震力计算可满足要求，不需放大。50层以上由于受高阶振型的影响，时程分析法计算的楼层剪力略大于CQC法计算结果，为CQC法结果的1.03～1.15倍。设计时，将此部分楼层的地震剪力放大1.15倍进行包络设计，以充分考虑高阶振型的地震作用。

4.2 结构设防烈度地震分析

(1)分析方法

用SATWE软件，增加阻尼的等效线性方法进行弹塑性分析，本工程偏安全的暂不考虑增加阻尼比，用规范反应谱进行计算。

(2)楼板应力分析

根据文献[2]，中震作用下，采用水平钢筋的抗拉强度设计值作为连接板承载能力的指标。当楼板采用双层双向配筋相同时，连接板中的主拉应力设计值要满足下式:

图21 层间位移角最大楼层X向地震楼板主应力图(拉应力为0.70～4.0MPa)

图22 层间位移角最大楼层Y向地震楼板主应力图(拉应力为0.20～4.2MPa)

结果表明，在中震作用下，主体结构的楼板应力为0.70MPa～4.21MPa，钢筋间距100mm，根据公式，求得As=129mm2，计算所需单根钢筋应大于64.5mm2。实配双层双向 10@100，钢筋面积78.5 mm2，满足要求。

(3)局部性能分析

对关键构件，即底部加强部位的剪力墙和L型两端各3榀剪力墙按“中震抗剪弹性，抗弯不屈服”与多遇地震(特一级)结果取包络进行设计。

4.3 结构弹塑性分析

采用PUSHOVER分析方法对主体结构进行性能评估，以量化的计算结果来评价结构在罕遇地震作用的抗震性能目标。

PUSH分析的模型由SATWE导入，为了提高程序的使用效率，去掉可作为上部结构嵌固端的地下室和主要屋面以上的构架层，尽量只保留主要的结构抗侧力构件。加载方式采用可考虑高阶振型效应的“弹性CQC地震力”。考虑到结构平面的不对称性，分别从0度、90度、180度、270度、30度、210度六个主方向进行加载，主要性能指标详(图23～图34)。