某超高层住宅结构关键问题分析

刘金龙 宋九祥 沈 伟

(南京长江都市建筑设计股份有限公司,江苏 南京 210002)

1 工程概况

本工程为超高层住宅，地面以上45层(不包括屋面局部凸出小塔楼)，结构高度141.95 m，其中16层、31层为避难层，其余层均为住宅，住宅部分由31层避难层将上下分为两个标准层，分为低中区(30层及以下)标准层和高区(32层及以上)标准层，主要区别是高区标准层东单元由低区的两户合并成一户，见图1，图2。

文献[1]介绍了本工程的详细设计参数、结构布置、超限情况、性能目标、设计措施及设计结果等，计算结果表明各项指标满足现行规范和规程的要求，方案安全可行，本文不再赘述。本文重点介绍本工程在设计过程中遇到的关键问题及解决措施。

2 局部转换设计

16层和31层为避难层，由于建筑功能需要，在楼梯核心筒角部开洞，形成局部托墙转换，见图3～图5。由于开洞位置在建筑角部，角部转换构件的安全度控制着整体结构的安全性。因此，仍然将转换构件的性能目标设为中震正截面承载力弹性、斜截面承载力弹性并满足大震作用下截面限制条件。由于建筑功能的需要，此处着重需要解决转换梁截面的问题。下文以16层B1转换位置为例介绍避难层局部转换设计思路及过程。

2.1 转换梁设计

此处转换梁跨度较小，正截面承载力较易满足，设计过程中发现转换梁抗剪超限，设计过程中尝试增减转换梁截面来解决这一问题，表1为B1位置转换梁截面设计过程。

表1 B1位置转换梁剪力变化过程

由表1可见，剪力随着梁截面的加大而增加，剪力超限程度随着梁截面增加而缓慢减小。直至梁高850 mm方可满足规范要求。由于建筑净高要求此处梁高最高只能为650 mm，因此850 mm的梁高显然不能满足建筑功能要求，为此加大层高显然不是最优的解决方法。

加大梁截面后依然不能有效解决转换梁抗剪超限的主要原因是加大截面导致梁刚度变大，从而引起剪力增大，抗剪依然超限，因此修改梁截面往往不能解决此类问题。进一步从模型角度分析后，传统的模型将转换梁柱简化为杆系单元，转换梁的计算跨度为转换柱节点距离，明显大于其实际净跨，且上部托墙的荷载全部先传到转换梁上，然后由转换梁传至转换柱，实际转换柱截面较大，转换梁净跨比杆系模型的计算跨度小，上部托墙有相当一部分荷载直接传到转换柱。实体构件的计算模型更贴近真实情况，因此，对转换构件及其上部托墙采用实体单元进行计算。图6为转换位置采用实体单元的计算模型示意图。

表2给出了B1位置转换量分别采用传统壳单元和实体单元计算的梁剪力设计值。

表2 B1位置转换梁剪力对比 kN

由表2可以看出，相同截面下，采用实体单元时转换梁的剪力仅为杆系单元时的70%左右。因此，本工程采用实体单元对转换梁进行内力计算并进行后续的配筋设计。

2.2 转换柱设计

转换柱承受的较大集中力必将会导致上下层墙体连接处出现一定程度的应力集中。设计中考虑将转换柱向上下相邻层延伸过渡，图7a)～图7c)分别给出了转换柱不延伸、向上下相邻层延伸1层和2层的应力分析结果。

由图 7可以看出，转换柱不延伸时，洞口上下最大应力约17 MPa；转换柱向上下延伸一层时，洞口上下最大应力约10 MPa，延伸后的柱子和上下墙体交界处的应力约8 MPa；转换上下延伸2层时，洞口上下最大应力约9 MPa，延伸后的柱子和上下墙体交界处的应力约9 MPa；同时从图7中可以看出角部的转换柱延伸后的应力也有明显下降。通过以上分析可以得出，转换柱向上下层延伸过渡时，应力明显消散；延伸一层和延伸两层，应力分析结果相近。因此，本工程设计时采用转换柱上下延伸一层的构造措施来减缓转换柱带来的应力集中现象。

3 平面凹凸不规则设计

由于建筑户型组合和造型的需要，结构布置在中间处有凹进。如图8所示，平面典型宽度为17.41 m，凹进处的平面宽度仅为7.8 m，平面凹进55.2%>30%，属于凹凸不规则[2，3]，凹凸不规则处在地震作用下可能出现应力集中，出现较为严重的损坏[4,5]。

设计通过楼板应力分析来考察凹进处楼板的薄弱程度。将整层楼板设为弹性板，并对楼板进行中震作用下的应力分析。

图9,图10为标准层楼板在中震作用下的主拉应力分析结果，可以看出此处凹进相关区域楼板内部主拉应力均小于混凝土的抗拉强度标准值(C30，ftk=2.01 MPa)；洞口边或角部存在局部应力集中，混凝土开裂后应力会逐步消散。凹进处未出现明显薄弱部位。现仅从构造上采取加强措施，对凹进相关区域楼板配筋双层双向拉通，并控制单向单层配筋率不小于0.25%。

4 局部大跨异形板设计

由于建筑32层以上东单元两户合一，为了满足建筑使用功能，此户型结构布置出现局部大跨异形板，该板块的位置及尺寸见图11。

大跨异形板传力机理较为复杂，地震作用下可能出现应力集中和较为严重的损坏，且无法使用传统楼板的求解方法[6]，为了解决上述问题，对该异形大板加厚至180 mm，并将该板定义为弹性板，对楼板进行了中震作用下的应力分析和挠度裂缝计算。

4.1 大跨异形板应力分析

图12，图13给出了该楼层板在中震作用下的主拉应力分析结果，由图可以看出，大跨异形板处及其相邻板块的拉应力均小于混凝土的抗拉强度标准值2.01 MPa。

4.2 大跨异形板的挠度裂缝计算

图14为高区标准层挠度图，由图14可以看出大跨异形板的跨中挠度仅为7.2 mm，远小于GB 50010—2010规定的限值(11 000/300=37 mm)。同时，由YJK软件计算的该板跨中裂缝最大值为0.178 mm，也满足规范要求的限值0.3 mm。

5 局部墙垛对主体刚度的影响分析

如楼电梯间两侧设有风井，结构布置有凸出主体结构边界的小墙垛，存在虚刚的可能性。

为了研究局部凸出墙垛对整体结构的影响，考察两个计算模型：

模型A——按实际情况带墙垛建模；

模型B——去掉墙垛及相关范围梁板，涉及的荷载在模型中输到相关构件上。

对结构周期和振型、结构位移、剪重比等主要指标进行对比和分析，并结合分析结论给出相应的措施。

凸出主体结构外的墙垛见图15。

表3给出了两个模型的前6阶周期对比，从表3中可以看出两个模型的前6阶周期相差均在1%以内，因此可以得出是否带有墙垛对结构整体的周期影响不大，模型A周期略小于模型B，说明墙垛对结构刚度有微小的贡献。

表3 结构周期对比

从图16，图17分别给出了模型A，B在地震工况、风荷载工况下的位移角对比情况，图18分别给出了模型A，B在X，Y方向的剪重比对比情况。

从图16～图18可以看出模型A,B的位移角及剪重比数据基本一致。

由以上分析结果可知，模型A,B的总体指标基本一致。因此，可知局部凸出主体结构的墙垛对整体影响很小，施工图中采用两种模型对结构配筋包络设计以作加强。

6 结语

着重介绍了某超高层剪力墙结构设计过程中遇到的关键问题以及解决措施，各项计算结果均表明该结构方案能够满足现行规范和规程的要求，可为同类结构设计提供经验参考。