天津某超高层剪力墙结构超限设计

贾 潮

(天津华汇工程建筑设计有限公司,天津 300381)

1 工程概况及设计条件

本工程位于天津滨海新区，总用地面积10 071.7 m2。整个工程工程由1栋超高层主楼与3栋附楼组成，总建筑面积132 837.04 m2，其中地上99 837.49 m2，地下32 999.55 m2。整个地块设3层地下室，地下室总高度13.45 m，其中地下3层层高3.900 m，地下2层层高3.90 m，地下1层层高5.650 m。地下室主要用作车库及设备机房。D区主塔地上48层，总高度178.100 m(装饰架192.350 m)，其中首层,2层层高6.0 m，标准层层高3.4 m,高宽比178.1/24.9=7.15(192.35/24.9=7.72)，采用剪力墙结构。附楼A地上7层，总高度26.700 m,采用框剪结构。附楼B、C地上4层，总高度20.700 m，采用框架结构。本工程D区主塔地上主要用于公寓，附楼地上主要用于商业，主楼地上部分与附楼断开。

本工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第二组。抗震设防类别：丙类。建筑场地类别为Ⅳ类，场地土类型属于软弱土，根据安评报告特征周期0.65s。本场地属可进行建设的一般场地。本场地属非液化场地，且可不考虑震陷的影响。本工程多遇水平地震影响系数最大值αmax=0.12，罕遇水平地震影响系数最大值αmax=0.72。主楼地上48层，采用混凝土剪力墙结构，超B级超限高层，抗震设防类别为丙类，抗震措施按8度(0.20g)采用，钢筋混凝土剪力墙抗震等级为一级;底部加强部位剪力墙，设备夹层及其上下层剪力墙采用特一级抗震构造措施。竖向构件底层部分采用高强度混凝土C60，向上逐渐递减。

2 超限情况及相关措施

本工程主体高度178.100 m，为超B级高度超限高层；结构楼层的最大水平位移和层间位移与该楼层平均值之比部分楼层大于1.2，为扭转不规则；由建筑平面布局可知，本结构局部存在“细腰”，为凹凸不规则。由于层高变化的原因，本楼有三部分侧向刚度不满足规范要求(54层为装饰架结构)，分别为2层及上部两个避难层处(在曲线图中出现尖角处)，为软弱层；其余主体结构侧向刚度比值均满足规范要求。在结构设计中将对两个避难层及相邻设备夹层上下各一层加强结构构造。

针对重要部位，按地震作用水准和建筑性能设计水准，确定如下建筑抗震性能目标，进行性能化设计。基于性能的设计方法是通过分析软件对结构进行分析，以证明结构可以达到预定的性能目标。在基于弹性反应谱分析和弹性、弹塑性动力分析的基础上，得出本工程在不同水平的地震作用下能够达到的性能指标，代表了结构在不同水平地震作用下的预期抗震性能。抗震设计性能目标见表1。

表1 抗震设计性能目标

3 结构整体计算

3.1 小震弹性分析结果

结构方案计算采用下述两种计算程序，并对结果进行分析比较。所用计算程序为：中国建筑科学研究院编制的多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计PKPM系列软件STAWE进行计算分析，还采用了由北京迈达斯技术有限公司基于三维的建筑结构分析和设计系统(Midas Building)开发的结构大师进行对比分析。计算结果均满足规范要求。小震主要计算结果见表2,小震弹性时程计算结果见表3。

表2 小震主要计算结果

表3 小震弹性时程计算结果

3.2 多遇地震下弹性时程分析

采用三组强震加速度记录作为动力时程分析的地震波输入，一组为与设计目标反映谱相符的人工模拟加速度时程，其余二组为真实强震加速度记录。由弹性时程分析中的三条时程曲线作用下的基底剪力均大于反应谱法的65%，且平均值大于反应谱法的80%，满足规范要求。以其作为地震输入计算得到的结构地震反应结果可作为结构抗震设计依据的补充。在进行设计时，结构地震作用取包络值。

3.3 中震计算分析

为保证中震下剪力墙不发生剪压破坏，在考虑中震荷载组合作用下，对剪力墙的截面进行了验算。分别按中震弹性、中震不屈服对相应各部位剪力墙进行了截面验算。通过比较剪力墙截面中的最大剪力与截面抗剪能力的比即可验算其截面是否满足要求。通过计算，结果表明各剪力墙均可满足中震条件下截面抗剪验算的要求。按照偏拉、偏压构件计算后，各墙肢均可满足设计要求。

3.4 大震不屈服分析(剪力墙底部加强区大震下抗剪截面控制计算)

为保证大震下剪力墙不发生斜压破坏，在考虑大震组合作用下对剪力墙底部加强区的截面进行了验算。大震作用下通过调整地震影响系数最大值使得按照弹性计算得到的基底剪力值与弹塑性三条时程波计算基底剪力结果的平均值相符，按其结果对剪力墙的截面进行了验算。结果表明各剪力墙均可满足大震下截面抗剪验算的要求。

3.5 大震下非线性地震反应分析与抗震性能评价

根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)经插值取弹塑性最大位移角限值为1/135。验算主楼在罕遇地震作用下的结构抗震性能，计算薄弱层位移反应和变形能力，判断结构在大震作用下是否满足规范规定的层间位移角限值，判断结构的薄弱层和薄弱构件所在位置，对重要的构件进行加强，考察其是否能够满足结构的抗震性能目标，以实现“大震不倒”的设计思想。非线性地震反应分析采用中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部多层及高层建筑结构弹塑性动力分析软件EPDA软件进行了计算分析。

本工程所用地震记录由天津市地震工程研究所检测中心提供的一组人工波，两组天然波，地面最大加速度主方向取310 cm/s2，次方向取264 cm/s2，特征周期0.70 s，阻尼比0.06，计算持续时间25 s。

从弹塑性动力时程分析可以看出，结构在罕遇地震作用下，三组波计算的罕遇地震下结构的最大层间位移角均小于1/135，满足规范要求；塑性铰首先出现在连梁上，随着时间的推移出现在框架梁上，剪力墙裂缝出现在底部和顶部及避难层，且受压和受拉裂缝均出现在端部，为防止受拉裂缝和受压裂缝的进一步发展，在施工图结构设计中将在端部及避难层上下层加强构造措施，以增加剪力墙的延性。

根据主塔在罕遇地震作用下的非线性地震反应分析所得到的结果以及结构的抗震性能评价，可以得出以下结论：目前采用的结构体系与方案，以及构件尺寸、强度设计满足大震作用下结构不倒塌的抗震性能目标。罕遇地震作用下，结构整体及各构件的抗震性能满足本报告提出的性能目标。

4 结 语

工程属超B级高度、平面不规则的超限高层建筑。由于在结构设计中采取了合理的结构布置，并采取了有效的抗震措施，从而减轻了平面不规则带来的不利影响，使得结构具有较好的抗震性能，计算结果满足现行规范和规程的要求。罕遇地震作用下层间位移角最大值小于规范规定的层间位移角限值1/135，可满足大震不倒的要求。通过中震、大震计算分析结果表明，结构能够满足预定的抗震性能目标。

[ID：010329]