某超B级高度剪力墙结构住宅结构设计

郑智辉

(厦门新区建筑设计院有限公司 福建厦门 361012)

某超B级高度剪力墙结构住宅结构设计

郑智辉

(厦门新区建筑设计院有限公司 福建厦门 361012)

厦门泰禾·首玺B2#楼地上59层，结构高度172.95m，结构体系为剪力墙结构，属于超B级高度的超限高层建筑。采用YJK和MIDAS两种软件对结构进行小震弹性分析，并依据MIDAS大震动力弹塑性分析结果，对结构各重要部位进行加强。归纳总结针对该工程高度超限、平面不规则、楼板不连续等复杂性所采取的设计措施。

超B级高度;剪力墙结构;平面不规则;动力弹塑性分析

1 工程概况

厦门泰禾·首玺B2#楼住宅位于厦门海沧区，楼高共59层，顶部14层为复式户型，一层层高5.35m，其余层高2.9m，房屋高度为172.95m，场地内设两层地下室，层高均为3.9m。建筑平面尺寸为34.8m× 21.3m。主要结构平面图及立剖面如图 1～图3所示。

工程设计使用年限为50年，抗震设防烈度为7度(0.15g)，设计地震分组为第二组，场地特征周期与αmax根据安评报告取值，其中小震下分别为0.5s及0.126。50年一遇的基本风压为0.8kN/m2，地面粗糙度类别为B类。

该工程存在高度超限(超B级)、平面不规则、竖向构件收进等不规则项，结构高宽比大，但由于是纯住宅项目，隔墙较多，受限于建筑平面布置，因此采用钢筋混凝土剪力墙结构。建筑高度超B级是该项目的主要设计要点。

超B级高度的剪力墙结构由于其高度较高，应采取比规范规定更严格的计算和构造措施。本文以厦门泰禾·首玺B2#楼为例，介绍了超B级高度剪力墙结构的设计。

图1 标准层平面图

主要结构构件布置:剪力墙混凝土强度为C60～C30，主要抗侧力剪力墙厚为300mm～500mm，顶部14层为复式户型，标准层局部柱墙到复式楼层后取消。考虑到纯剪结构高度超高，在外圈剪力墙端部设置较大端柱(1 000mm×1 800mm等)以控制结构变形，并根据计算结果加设型钢(十字型，壁厚16mm～30mm)。外圈梁主要为550mm高，局部外圈梁(南北侧X向)为1 000mm高;主要的耗能连梁及框架梁高度为500mm，如表1所示。

图2 复式上层平面图

图3 立面及剖面图

表1 主要结构构件布置 mm

2 结构设计关键问题

(1)高度超限

房屋高度为172.95m，超过剪力墙结构B级高度150m限值，结构高宽比较大，外圈竖向构件偏心受拉情况明显。

(2)平面不规则

结构平面凸出尺寸38%，偏心率最大为0.34。

(3)局部楼板不连续

结构顶部14层为双层复式户型，其中复式上层楼板开洞率约为41%，不符合刚性楼板假定。

(4)竖向构件收进

复式与平层户型变化处(46F)结构外围竖向构件收进约7.5%，且部分剪力墙取消，刚度形成突变。

3 结构计算分析

弹性计算采用YJK和MIDAS/Building作为主要计算分析软件，并进行多遇地震弹性时程分析的补充计算及中震下的构件性能设计;另外，采用Building进行动力弹塑性分析，计算结构在罕遇地震下的变形反应。

3.1 性能设计

按照《高层建筑混凝土结构技术规程》［1］的要求，综合考虑场地条件、结构的特殊性、建造费用等各项因素，经过超限专项审查，提出结构性能设计要求如表2所示。

3.2 结构分析的主要设计结果

3.2.1 小震CQC弹性分析

小震CQC弹性分析主要计算结果如表3所示。由表3可知，两种软件计算结果比较吻合，周期、位移、剪重比等各项指标均满足规范要求。

表2 结构的性能设计

表3 结构分析主要指标对比

层间位移角各楼层总体变化均匀。其中，X向层间位移角在竖向构件收进楼层处变化较大，在该楼层处Y向略有变化如图4所示。

图4 楼层刚度比值

各楼层刚度比及抗剪承载力比值总体变化均匀，均满足规范要求。主要在底部层高变化较大的楼层及竖向构件收进楼层有所突变，设计中对以上部位进行加强，如图5所示。

图5 楼层抗剪承载力比值

3.2.2 小震弹性时程分析

设计采用YJK程序进行多遇地震弹性时程分析，根据工程特点选用7条地震波，并与规范反应谱分别进行了对比。各条地震波谱与规范谱的对比曲线，如图6所示。

图6 规范谱与地震波反应谱对比图

时程分析楼层剪力平均值X向在顶部6层略大于CQC法剪力，Y向在顶部4层略大于CQC法剪力，放大系数约为1.03;层间位移角平均值均小于CQC法层间位移角。

3.2.3 风振舒适度验算

为确保高层建筑内使用者舒适，房屋高度不小于150m的建筑结构需满足风振舒适度要求。顺风向及横风向风振加速度按《建筑结构荷载规范》附录J计算，结果均满足规范要求。计算结果表明，对于本工程这类超高层建筑而言，横风向振动问题较为突出，与顺风向一样应该在结构设计中予以重视。

3.2.4 中震下构件性能设计

在评估结构及构件对应于中震的性能目标时，仍然采用规范提供的振型分解反应谱法，作用效应及结构抗力均采用标准值。

底部加强部位竖向构件按“中震抗剪弹性、抗弯不屈服”复核，后续设计中通过提高剪力墙竖向分布筋配筋率、增设型钢等方式以满足该性能目标要求。

该工程剪力墙各角部在中震下受拉情况较为严重，因此在平面周圈剪力墙端部均设置大端柱，增大混凝土截面;并在柱内布置型钢，控制含钢率≥4.0%，布置型钢的端柱主要位于结构下部楼层及竖向构件收进的楼层位置。

3.2.5 大震动力弹塑性分析

在罕遇地震作用下，结构表现出非线性行为并引起结构内力重新分布，该工程采用Building软件进行罕遇地震作用下弹塑性时程分析。弹塑性分析过程中考虑几何非线性和材料非线性［2］。

该项目采用两组天然波和一组人工波，经峰值调整后作为该项目大震分析的时程波。结构在地震作用主方向Y向的最大层间位移角分别为1/150、1/167、1/176，均小于规范规定的1/120限值，如图7所示。

图7 最大层间位移角

从构件塑性变形与塑性变形限值的大小关系来对结构进行评估，针对剪力墙破坏顺序及程度，考虑从概念上对结构薄弱部位进行加强。

由7轴处计算结果可见，剪力墙在 6.6s时 7层～15层连梁开始出现损伤，此时大部分剪力墙尚未屈服，仅在竖向构件收进的下层(42层～45层)出现塑性发展;13.8s时，B轴～C轴间短肢墙及连梁塑性发展严重，J轴位置9层～20层开始塑性损伤，竖向构件收进下层剪力墙塑性持续发展;地震波加载结束即18.8s时，B轴～C轴间短肢墙及连梁在几乎全高的范围以及G轴～J轴位置在8层～37层塑性发展情况严重。

综合分析各部位塑性发展过程可以发现:

(1)剪力墙受剪损伤首先发生在连梁及短肢墙位置，随后逐步发展;Y向墙肢端部在1层～6层塑性发展情况较上面几层良好，究其因，是该位置端柱内设置型钢，有效地控制了剪力墙的变形。

(2)竖向构件收进部位，该位置塑性发展情况严重，在后续结构设计中适当加强。

(3)X向底部墙体较Y向墙体破坏严重，主要原因有:结构X向由地震作用控制，Y向由风荷载控制; E轴处X向连续墙长7.5m，刚度较大;X向墙体尚未考虑性能化设计，Y向墙体已考虑型钢的有利作用。

针对剪力墙损坏较明显的部位，采取对应的加强措施后重新进行弹塑性时程分析，主要措施有:提高底部加强区竖向构件抗震等级和配筋率，并按中震性能设计结果(正截面不屈服，斜截面弹性)进行配筋;提高过渡层剪力墙及下部楼层短肢墙配筋率;提高竖向构件收进上下楼层抗震等级及配筋率;E轴处7.5m长X向剪力墙中间开洞，适当削弱刚度。采取以上措施加强后，底部加强部位、短肢墙及竖向构件收进部位等的损伤情况均得到有效改善，如图8所示。

图8 (7)轴剪力墙采取加强措施前(a图)后(b图)结果对比

该工程通过控制剪力墙截面在大震下受剪满足截面控制条件来防止构件发生脆性破坏，即按《高层建筑混凝土结构技术规程》式3.11.3－4进行验算，表明采用的结构体系能满足大震下结构不倒塌的要求。

4 结构设计措施

该工程存在高度超限(超B级)、平面不规则、楼板不连续、竖向构件收进等不规则情况，根据前述计算分析，针对该工程的薄弱环节采取适当措施。

4.1 高度超限

(1)底部加强区竖向构件抗震等级按特一级，主要剪力墙端柱设置型钢，控制含钢率≥4.0%，按中震下“正截面不屈服，斜截面弹性”复核，并根据大震弹塑性分析结果加强;

(2)底部加强部位以上轴压比大于0.25的剪力墙墙肢(1层～19层)设置约束边缘构件;

(3)中震工况下出现小偏心受拉的竖向构件按特一级构造，拉应力大于混凝土强度标准值时应设置型钢(主要是结构周圈剪力墙);

(4)提高短肢剪力墙配筋率。

竖向构件加强示意图如图9所示。

图9 竖向构件加强示意图

4.2 平面不规则

加强建筑外圈构件刚度，如周圈剪力墙设置大端柱(1 000mm×1 000mm～1 000mm×1 800mm)，南北两侧梁高控制不小于1 000mm，以此控制扭转位移比≤1.20。

4.3 局部楼板不连续

针对楼板不连续的楼层，结构计算时考虑楼板面内变形的影响。标准层楼板有效宽度较小处，周边尽量加设剪力墙满足水平力的传递，加强楼板厚度及配筋率。复式楼层穿层墙按两层层高的计算模型复核强度及稳定性。

复式楼层楼板厚度≥130mm，配筋率≥0.25%。多遇地震时楼板应力［3］不超过混凝土强度标准值，设防地震时楼板应力不超过钢筋强度设计值，即小震不裂，中震不坏。

4.4 竖向构件收进

各栋主楼从标准层到复式楼层Y向存在竖向收进，收进后水平尺寸为下部楼层相应水平尺寸的92%，收进部位上下各2层竖向构件抗震构造措施的抗震等级提高为特一级，外圈端柱增设型钢，并加强竖向体型突变部位及其上下层的楼板，楼板厚度≥130mm，配筋率≥0.25%。

5 结论

通过对YJK和MIDAS两个不同力学模型软件的分析结果进行比对，发现结构各整体指标相差不大，说明程序的计算结果是可靠的。

(1)小震和风荷载弹性分析——主要包括自振特性、基底剪力及楼层剪力、总重量及剪重比、楼层位移及位移角(比)、楼层刚度和受剪承载力，计算结果均符合规范要求。

(2)中震分析——主要包括底层加强部位结构的局部指标(中震弹性/不屈服)均满足性能目标要求。

(3)采用MIDAS Building软件分析大震动力弹塑性结构整体性能和构件变形性能。整体结构层间位移角满足规范最低要求(1/120)且有余量;底部加强部位主要抗侧力墙肢端柱内设置型钢，构成了具有很好的强度和刚度，以及延性性能的组合构件。从计算结果上看，对剪力墙在大震作用下的抗震能力起到了很好的提高作用;短肢墙及竖向构件收进的下层位置，塑性发展情况严重，在结构设计中对其适当加强。

该工程属于超限高层建筑，由于在结构设计时采取了合理的结构布置，对结构的薄弱部位进行了加强以及性能化设计，并采用型钢混凝土构件，使得结构具有良好的抗震性能。

［1］ JGJ3－2010高层建筑混凝土结构技术规程［S］．北京:中国建筑工业出版社，2010．

［2］ 傅学怡．大型复杂建筑结构创新与实践［M］．北京:中国建筑工业出版社，2015．

［3］ 扶长生，刘春明，李永双，等．高层建筑薄弱连接混凝土楼板应力分析及抗震设计［J］．建筑结构，2008(3): 106－110．

Structure design of a super class B high－rise residential with shear wall structure

ZHENG Zhihui
(Xiamen New Urban Architectural Design Institute Co.，Ltd，Xiamen 361012)

Xiamen thaihot Shouxi B2#building has 59 floors on the ground，with structure height of 172.95m.The structure system is shear wall structure，which belongs to the super class B out－of－codes high－rise building.The elastic analysis of frequent earthquake was completed by using YJK and MIDAS，and based on the results of dynamic elasto－plastic analysis of rare earthquakes，the important parts of the structure are strengthened.The design measures were summarized in the view of the complex factors，such as out－of－codes about the height，irregularity of plane and discontinuity of floor slab.

Super class B high－rise;Shear wall structure;Irregularity of plane;Dynamic elasto－plastic analysis

TU3

A

1004－6135(2017)02－0037－05

郑智辉(1985．8－ )，男，工程师。

E-mail:zhihuizheng365@163．com

2016－11－05