强风压作用下福州平潭某高层住宅上部结构设计研究

黄起益

(厦门大学嘉庚学院 福建漳州 363105)

0 引言

风荷载是高层建筑结构设计需要重点考虑和处理的可变荷载[1]。对于处于低烈度、强风压作用下的高层建筑，弹性阶段的计算一般受风荷载控制，结构高度越高，风荷载影响越大[2]。高层建筑由于高度大，侧向刚度相对较小，在水平荷载作用下会产生较大的侧向变形，从而可能导致结构开裂、P-Δ效应不可忽略，舒适度不满足要求，层间位移角较大等问题[3]。为了符合规范提出的各种控制指标要求，通常采取的处理方法是：①调整结构平面形状和建筑体型，利用周边地形地貌条件减少风荷载[4-5]；②改变结构体系，如采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系[6-7]、矩形钢管混凝土组合异形柱框架-剪力墙结构体系[8-9]，或者对结构局部部位采取加强措施，如提高底部墙柱竖向钢筋配筋率[10]、底层框架柱采用钢骨混凝土[8]、底层剪力墙增设钢板[11-12]；③通过合理布置阻尼器实现降低基底剪力与层间位移角、降低顶点风振加速度等减振效果[13-14]。

从《建筑结构荷载规范》(GB5009-2012)图E.6.3(全国基本风压分布图)可以看出，东南沿海和克拉玛依北部的基本风压最大，达到0.90kN/m2以上。福州平潭位于福建省东部，东临台湾海峡，基本风压1.30kN/m2，为福建省之最(福州0.70kN/m2，厦门0.80kN/m2)[15]，位于中国前列(香港0.90kN/m2，台湾宜兰1.85kN/m2)[6]，岛上的高层建筑对风致振动更加敏感，风荷载产生的结构设计问题更加突出，如层间位移角不容易满足要求、竖向构件发生偏心受拉现象、风振舒适度较差等。所以，选择一个高宽比大，对风振敏感的高层建筑，研究其在结构设计过程中可能遇到的问题及其相应的处理方法，保证结构安全、造价合理，具有一定的现实意义。基于此，本文以平潭实验区某一高层住宅为研究对象，研究该地区强风压作用下高层建筑风振特性及其结构设计要点。

1 工程概况

该项目位于平潭金井湾片区，总用地面积66 560m2，总建筑面积239 620m2。项目由11栋高层住宅楼和数栋多层建筑(社区服务中心、幼儿园等)组成。本文选取其中2#楼作为分析对象。

2#楼共30层，底层为架空层(层高4.0m)，二层及以上均为住宅(层高2.95m)，房屋建筑高度89.55m，属于A级高度[17]。2#楼标准层长50.0m、宽18.5m，一层两梯5户，通过公共走廊连接，走廊净宽1.25m；两个楼梯之间有一个凹口，凹口长13.2m、宽5.95m，平面凹进的尺寸大于相应投影方向总尺寸的30%，属于平面凹凸不规则[18]。

2#楼标准层建筑平面图如图1所示。

图1 2#楼标准层建筑平面图

2 结构计算前处理

2.1 主要计算参数

基本风压1.30kN/m2，10年重现期的风压0.75kN/m2，地面粗糙度为A类，建筑场地为III类。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第三组。2#楼采用剪力墙结构体系，抗震等级二级，抗震构造措施二级。混凝土强度等级为C45～C30，钢筋强度等级HRB400，剪力墙厚350mm～200mm。

2.2 结构平面布置

建筑高宽比4.8，满足钢筋混凝土高层建筑结构适用的最大高宽比[19]，经济性良好。建筑长宽比2.7，X向与Y向风荷载相差较大，Y向需要设置较多且较厚的墙肢才能满足层间位移角和刚重比的要求。另外，为了合理有效地传递水平荷载，将图2阴影填充区部分设板厚150mm。

图2 2#楼标准层结构平面图

2.3 结构超限检查

根据《抗规》[20]第3.4.3条，2#楼结构属于“不规则”结构，其结构不规则情况如表1所示。

表1 结构不规则情况

3 结构计算分析

3.1 多遇地震下的弹性分析

2#楼上部结构采用盈建科建筑结构计算软件(YJKv2016-2.0.0)进行结构分析。采用振型分解反应谱法计算地震作用[20]，考虑偶然偏心和双向地震作用[21]，周期折减系数取0.9[19]，计算结果见表2。从表中可以看出，结构周期比、层间位移角及位移比等主要参数均能满足规范[19]要求。

表2 2#楼上部结构计算结果

3.2 风荷载分析

平潭地区，50年一遇的基本风压1.30kN/m2，10年重现期的风压0.75kN/m2，为福建最高[18]。

不同风压作用下结构的变形如图3所示。基本风压1.30kN/m2、1.00kN/m2、0.80kN/m2、0.60kN/m2对应的最大层间位移角分别为1/1020、1/1317、1/1658、1/2230。考虑项目的经济性，实际工程中高层建筑剪力墙结构最大层间位移角通常会控制在限值的95%以内[21]，即不大于1/1050。该项目由于基本风压较大(福州0.70kN/m2，厦门0.8kN/m2)，最大层间位移角控制在1/1020左右，满足限值1/1000要求。

图3 不同基本风压作用下结构变形

《高规》[19]第3.7.6条规定，当房屋高度不小于150m时，结构应满足风振舒适度要求。按荷载《规范》[20]附录J计算结构顶点振动最大加速度，结果如表3所示，其中，Y向顺风向结构顶点最大加速度已经超过限值0.15m/s2，不适度程度达到“不能忍受”[19]。由于该栋建筑房屋高度小于100m，未超过《高规》[19]规定的150m，所以对结构风振舒适度验算结果仅提供给甲方参考，暂未对结构进行调整。

表3 结构顶点最大加速度 m/s2

4 结构构件分析与构造

4.1 剪力墙偏拉验算

如果双肢剪力墙中一个墙肢发生小偏心受拉，该墙肢可能会出现水平通缝而严重削弱其抗剪能力，抗侧刚度也会严重退化[19]。

中华人民共和国住房和城乡建设部(建质〔2015〕67号)印发的《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》第十二条规定：“中震时双向水平地震下墙肢全截面由轴向力产生的平均名义拉应力超过混凝土抗拉强度标准值时宜设置型钢承担拉力”。

福建省住房和城乡建设厅(闽建科〔2018〕4号)印发的《福建省住宅工程设计若干技术规定》第二十三条规定：“应复核高层建筑在风荷载和中震标准组合下竖向构件的受拉情况”。

根据以上两条规定，对2#楼进行风荷载和中震标准组合下剪力墙偏心受拉验算。验算结果显示：①偏心受拉墙肢只出现在1～12层；②风荷载标准组合下只出现在1～6层，出现受拉墙肢部位如图4方框所示；③中震标准组合下受拉墙肢出现在1～12层，其中1～6层除了图4方框所示部位以外，还包括图4圆框所示部分，7～12层则只出现在图4圆框所示部位。

图4 偏心受拉墙肢示意图

对于出现偏心受拉墙肢，《福建省住宅工程设计若干技术规定》规定：在受拉墙柱处设置型钢，拉力全部由型钢承担；型钢可选用Q345B，拉应力不大于200MPa；墙柱纵向钢筋按受力要求和原有抗震等级的约束边缘构件配筋率取大值设置。当Nk/Ac≥ftk时，型钢截面面积As可以通过公式(1)确定。

As≥Nk/fy

(1)

Nk：风荷载或中震作用标准组合下墙柱拉力(N);

Ac：柱或墙肢截面面积(mm2);

As：型钢截面面积(mm2);

ftk：混凝土抗拉强度标准值(MPa);

fy：型钢抗拉强度设计值(MPa)，不大于200MPa。

有些省规定，当墙肢全截面由轴向力产生的平均名义拉应力超过1.2倍或1.5倍的混凝土抗拉强度标准值时，才设置型钢承担拉力[21]。考虑到平潭综合试验区的特殊性，该工程按1.0倍ftk控制，偏拉墙肢型钢设置如图5所示，型钢截面面积采用公式(1)计算。

(a)型钢尺寸定位 (b)型钢布置图5 型钢布置方式

4.2 剪力墙连梁超筋

在高层建筑混凝土结构设计中，剪力墙连梁非常容易发生超限现象，而且这些超筋现象大部分都是抗剪截面不足或者剪压比不足引起[20]。常见的超筋处理方法包括：加大梁截面、设置交叉斜筋、对角斜筋、对角暗撑、钢板、型钢混凝土梁、水平缝等[20]。不同方法对梁宽的要求不同，当梁宽小于等于200mm时，只能设置钢板或设置水平缝；当梁宽不小于250mm时，可以设置交叉斜筋或型钢混凝土梁；当梁宽不小于400mm时，可以采用对角斜筋配筋或对角暗撑配筋。由于2#楼剪力墙连梁超筋的部位集中出现在1/3～2/3建筑高度的楼层，且墙厚均为200mm，受建筑条件的约束，只能采用钢板或设置水平缝。该项目采用钢板连梁，其构造做法如图6所示。

(a)连梁设置钢板大样示意图

(b)连梁钢板埋置在墙肢中的锚固示意图图6 钢板连梁构造

以中间楼层超筋最严重的连梁为例，比较采用普通箍筋和采用钢板连梁的计算结果(图7)。可以看出，采用钢板后，能够有效解决连梁超筋问题，而且采用钢板不需要调整梁宽，不改变建筑条件，适应性强，是目前处理连梁超筋问题最常用的方法之一。

(a)采用普通箍筋

(b)采用钢板连梁

5 结论

该项目2#楼，建筑高度89.55m，高宽比4.8，长宽比2.7，基本风压1.30kN/m2，与一般项目相比，该栋建筑的层间位移角和风振舒适度更难控制，而且更容易发生竖向构件偏心受拉、连梁超筋等现象。

为了解决这些问题，该项目采取了诸多措施，通过计算分析得到如下结论：

(1)通过设置较多Y向墙肢，并在不利于水平力传递处加强板厚，可以有效控制层间位移角。该项目2#楼最大层间位移角1/1020，能够满足规范1/1000的限值要求。

(2)Y向顺风向结构顶点最大加速度0.219m/s2，已经超过限值0.15m/s2，风振不适度达到“不能忍受”的程度。但是由于2#楼建筑高度小于100m，未超过150m，所以对风振舒适度暂未严格控制，仅将验算结果提供给甲方参考。

(3)通过对偏心受拉竖向构件设置型钢，对超筋连梁设置钢板，能够合理有效解决竖向构件偏心受拉和连梁超筋问题。本文对型钢截面面积的取值和钢板连梁的做法作了详细说明，可供同行参考。