剪力墙内支撑布置方案对超高层建筑结构抗震影响

付正权

（中国建筑第二工程局有限公司）

1 工程背景

本工程的建筑结构高度为548m，地下的层数为8层，地上的层数为106层，其建筑总面积为45万㎡。

该工程主要包括以下几个部分：

1）核心筒

塔楼的外形平面尺寸为方形，底部的平面尺寸为78m×78m，在大楼的中上部的位置来看，其尺寸56m×56m，与底部的尺寸相比略微变小。然后在由上到顶部的位置逐渐的变大，其尺寸为71m×71m。并且核心筒主要是由一个长约40m的正方形的钢筋混凝土筒体构成，其底部的外墙的厚度为1.2m，高度越来越高，墙厚也会随之变小。即顶部的厚度仅为0.4m。

2）矩形柱

该建筑物的平面轮廓为矩形，高度由下到上逐渐变小。即底部的截面尺寸为8m×8m，顶部的截面尺寸为的1.5m×1.5m。巨型支撑根据建筑结构进行全高布局，运用焊接箱形钢管进行支撑，其截面尺寸为：

1800mm×900mm×60mm×60mm

3）桁架系统

该系统主要布置在结构加强层，其由环形的桁架构成，支撑钢管为焊接箱形钢管，其最大的截面尺寸为：1700mm×800mm×30mm×30mm。

2 模型对比分析

为了保障该工程的核心筒剪力墙能够具备一定的结构抗震安全性能，主要在墙体设计时采用组合剪力墙。如在48层以下在核心筒剪力墙内设置钢板，这些钢板的厚度也是不同的。48层以上至106层内的剪力墙内布置一定刚度的钢支撑。其主要位于结构的外墙部位。

对两个不同的墙内钢支撑布置方案进行了设计和比较，其分别用A和B代替。模型A应用于48层以上的剪力墙内钢支撑；模型B在考虑经济问题和施工的便捷性等方面的因素，在弹性阶段能够满足一定的承载能力需求下，用在48层～78层、97层～106层墙体内钢支撑。而中间的部位，如：79层～96层的剪力墙主要以钢筋混凝土剪力墙为主。通过对比发现，模型A要比模型B更为节省成本，同时还能够进一步的加快施工的进程。在采用建模方法后，即对两个模型进行对比，巨柱主要采用纤维梁单元模拟，核心的中筒剪力墙主要采取分层壳单元模拟，楼板主要采用模单元模拟，对于一些巨型支承和钢梁等都采用MSC.MARC自带的 78 号梁单元模拟。根据分析得知，通过模拟结构在受到地震的作用下所产生的不同性能响应。

3 两个模型的基本动力特性对比

采用LANCZOS方法对A模型和B模型的动力特征进行分析，其详细情况如表1所示。

通过对表1进行分析，钢支撑逐渐减少的情况下，B模型的总质量也要低于A模型。并且，总质量一共减少了70t。从周期的角度分析，B模型的周期略短于A模型。但是两者在对比基本动力特征时，其差异较小。并且，79层～96层的剪力墙钢支撑布置方案的应用对于地震振型的影响较小。

表1 两个模型的基本动力特性对比

4 两个模型抗地震倒塌能力对比

现阶段，地震出现的频率增多，地震的复杂性和人们对于地震知识了解的不足等，一旦发生地震灾害将会直接影响到人们的人身安全[1]。以2012年的汶川地震为例，超高层的设防烈度为6度，而地震中的烈度已经达到了11度；2014年的鲁甸地震，设防烈度设置为7度，而实际的地震烈度为9度。本文研究的对象主要是超高层，当出现超出设防罕见的地震烈度后，如何保障人们的安全等，文章对该工程的抗地震倒塌能力进行了深入的调查和分析。根据对模型A和模型B的倒塌模式进行对比分析，主要对三条地震带上的 L0169，L0397，L845-12的抗倒塌情况进行分析。即抗倒塌分析方法主要是对两个模型进行增量动力时程的分析，其主要是X向三条地震带应用生死单元技术，对失效的构件进行删除，再不断的增加地震动强度，以得出当地震烈度达到倒塌的临界值后，以获取地震动峰值加速度PGA。因此，在三条地震带作用之下，建筑结构的倒塌形态图主要表现在图1所示。

临界倒塌地面运动峰值加速度的PAG和CMR的对比后，其结果如下。

图1 建筑结构的倒塌形态图

①模型A在地震动L845-12的作用下，其破坏层主要分布在56层的左右，模型B的破坏主要分布在85层左右。该模型主要是缺少墙内支撑，当墙内支撑减少时被破坏的位置也将发生位移。模型B的倒塌点主要集中在缺少墙内支撑的部分楼层中。但是在之后通过增强墙内的支撑，如A模型增强墙内支撑后，其抗倒塌的能力提升。抗倒塌安全储备系数要比墙内缺少支撑的模型B要高出许多。

②对于第二条地震动L0397，该模型A和模型B在初始时间内破坏的楼层数为85层，在对模型A增强墙内的支撑后，其抗倒塌的能力也在不断提高，抗倒塌安全储备的系数要高出模型B的24%[2]。当两个模型都遇到相同的地震动峰值后，在加速的条件下，模型A也要比模型B的破坏时间晚，破坏的程度也相对较轻。

③对于第三条地震动L0169，模型A的倒塌破坏点主要集中在40层左右，模型B的破坏点也主要分布在54层，该模型破坏的层数虽然没有在79层～96层，但是剪力墙大面积破坏主要集中在85层。在对比两个模型的抗倒塌安全储备系数后，模型A要远远高于模型B，显著提高了28%。由此可见，从三条地震动的结果可以得知，对于超高层的墙内钢支撑，应该增加79层～96层的墙内钢支撑，这样才能提高其抗倒塌安全储备的系数。

5 结语

通过对同一个建筑结构不同的墙内支撑设置方案进行抗震情况对比分析，墙内支撑的设置直接影响着结构抗震的性能[3]。

①两个模型在设计的过程中都遇到了一定的难度，模型A主要采取连续布置墙内支撑；模型B删除结构中上部墙内支撑。A模型要比模型B多用钢83t，根据对两个模型的动力特征进行分析，其动力特征基本相同。

②在设防大震作用下，两个模型的位移比较接近，但是B模型位移在与模型A相比其响应略大，这就充分说明墙内支撑对结构在设防大震的作用下，直接影响了防震的性能[4]。

③当遇到大型的地震作用下，模型A要比模型B的抗倒塌能力高，这就充分说明墙体内支撑的增强能够一定程度上提高结构抗倒塌能力。

④由于地震具有复杂性特征，人们无法对特大的地震进行预测或者估算，超高层剪力墙在施工时无法达到一定的抗震需求。文章在深入的研究后，其目的就是能够帮助剪力墙的安全性，从而对构建智慧城市发挥着重要作用。同时，增强墙内钢支撑在用量上也相对较少，而用钢量的变小或者增大等都对整体的效果无较大的影响[5]。还能够大大提升抗倒塌安全储备，对于这一优势，笔者认为超高层剪力墙内支撑的增加对提高结构抗倒塌安全储备发挥着现实意义，值得推广。