浅谈某超高层住宅楼结构设计

张 锟（山西晋设拓凡建筑设计咨询有限公司，山西 太原 030000）

1 建筑概况

本工程为一栋住宅楼，由3层地下室，40层地上组成。总建筑面积30959m2，地下建筑面积1933m2，地上建筑面积29026m2，地下部分为3层地下室：其中地下一层为设备层，层高2.15m；地下二、三层为储藏间，层高3.6m；地上部分为住宅，层高3.0m，结构体系为剪力墙结构。基础形式为桩筏基础。

2 设计依据

a.业主提供的设计任务书；

b.建筑专业提供的建筑平、立、剖面图纸；

c.太原市建筑设计研究院提供的《融创外滩壹号项目1.2期岩土工程勘察报告（详勘阶段）》；

d.《超限高层建筑工程抗震设防管理规定》（建设部令第[2015]111号）；

e.《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（建质[2015]67号）；

f.《山西省超限高层建筑工程抗震设防界定规定》（晋建质字[2018]272号）；

g.《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)(2016年版)等现行相关国家规范。

3 主要设计准则

3.1 结构基本设计参数

建筑结构安全等级：二级；周期折减系数：0.95；设计基准期：50年；结构重要性系数：1.0；抗震设防类别：丙类；建筑高度类别：B类；高宽比：8.1；基础设计类别：甲级；抗震设防烈度：8度；设计地震分组：第二组；抗震措施：按8度要求；设计基本地震加速度：0.2g；场地类别：III类；特征周期：0.55s；水平地震影响系数最大值：0.16；小震阻尼比：0.05；中、大震阻尼比：0.06、0.07；嵌固层位置：地下室顶板(±0.000)。

3.2 底部加强区高度

剪力墙底部加强区高度为地下室顶板至墙体高度的1/10，本项目为1~5层。过渡层为6,7层。

3.3 扭转周期比

结构第一扭转周期Tt与第一平动周期T1之比不应大于0.90。计算周期比时不考虑质量偶然偏心的影响，本工程平动周期扭转成分小于15%；注：抗震设计时，楼层位移计算不考虑偶然偏心的影响。

3.4 位移比控制

在规定水平地震力作用下，考虑偶然偏心影响，结构楼层水平位移和层间位移不大于该楼层平均值的1.4倍。

3.5 整体稳定指标

高层建筑结构的整体稳定应符合《高规》5.4.4（1）要求。

3.6 竖向构件轴压比限值

抗震等级特一级，一级，二、三级，剪力墙轴压比分别不大于0.48,0.50，0.60。

3.7 计算软件

北京盈建科软件有限责任公司YJK建筑结构计算模块，版本为1.9.1.0；MIDAS building（版本2016）。

4 荷载选择

4.1 楼面、屋面荷载，按规范取值

门厅，走道，4.0；机房，3.5；首层楼面（按±0.00考虑），5.0；卫生间、阳台，2.5；住宅客厅、卧室、厨房，2.0；上人屋面，2.0；不上人屋面，0.5（单位：kN/m2）。

4.2 规范地震作用

小震地震动参数按抗震规范取值，小震作用下阻尼比取0.05，地震影响系数αmax取0.16.相关参数见表1。

表+ 相关地震参数取值

4.3 中震（大震）不屈服

在中、大震作用下，构件承载力设计满足“屈服承载力设计”，与弹性计算不同的是，计算中可不考虑风荷载效应组合和地震内力调整，材料强度使用标准值，荷载分项系数和抗震承载力调整系数均取1.0。

5 工程地质条件

5.1 地质概况

土层从上到下依次为填土、粉砂、粉土、粉砂、粉质黏土、中砂、粉土、细砂、中砂、粉土、圆砾、粉土。

5.2 场地地下水

水位标高介于785.15m～786.45m。根据区域地质资料，水位随季节性变化幅度约+1.00m。抗浮水位标高按787m考虑。

5.3 建筑抗震地段划分

建筑场地属于建筑抗震不利地段，场地属于严重液化场地，非湿陷性场地。

6 基础设计

6.1 基础选型

本住宅楼层较多，基底压力较大，需要的单桩承载力较高，且本场地属于严重液化场地，因此，采用钢筋混凝土后压浆灌注桩-筏板基础。桩为筏板下满布，桩径800，有效桩长47m，桩端持力层在第13层粉土层，筏板板厚1.8m。竖向荷载通过筏板传递给桩基。

6.2 桩基承载力计算

本工程拟建场地属严重液化场地，液化土层主要为第2层粉砂，第3层粉土，第4层粉砂层，基础位于第2层粉砂层，基础底标高下液化土层厚度最深6.3m。工程桩计算考虑液化折减，基底以下液化折减系数为0。

单桩承载力特征值为5150kN（考虑液化折减），根据桩基有限元计算结果，非地震荷载作用下最大桩反力为4919kN，平均反力为4286kN；地震荷载作用下，最大桩反力为6100kN<1.5×5150kN，平均反力为4045kN，满足规范要求。本工程高宽比超限，在罕遇地震作用下，单桩压力、拉力均小于单桩竖向抗压，抗拉承载力极限值的0.9倍（承载力考虑地震放大系数1.5倍）。

6.3 基础沉降

根据初步计算的结果，在准永久荷载作用下，本工程总沉降量最大值为33mm，最小沉降量为23mm，最大值和最小值处整体倾斜为0.0004<0.002，沉降量和整体倾斜可以满足规范要求。

7 结构选型

项目高度120.15m，地下3层，地上40层，设防烈度8度，采用剪力墙结构体系。

8 超限情况判定及对应措施

8.1 本工程存在三个超限内容

高度120.15m＞100m,B级高度高层建筑。

凹凸不规则：凹进尺寸占相应边长42.3%＞30%。

高宽比：8.1＞7.

8.2 针对超限所采取的措施

根据上述超限情况，本工程结构设计中采用如下加强措施：

a.设计时对主体结构采用YJK和Midas/building两个不同力学模型的结构分析软件进行整体计算，对比分析结构周期、层间位移角、位移比、剪重比、刚重比等计算结果，通过结果比较，判断结构整体计算的合理性，及关键构件计算的准确性。

b.采用YJK及Midas/building进行振型的模态分析，复核结构动力特性，更准确地反映高阶振型对地震效应的影响。

c.补充弹性动力时程分析，地震效应采用加速度反应谱与时程分析包络值进行设计。

d.针对超限情况，将底部加强区的竖向构件设为关键构件。计算上采用盈建科软件进行了中震、大震下等效弹性分析、罕遇地震下的弹塑性时程分析，保证关键构件及耗能构件满足中震及大震下的性能目标。

e.根据性能目标的设定采取相应的加强结构构件延性及构件配筋率等构造措施。

9 针对结构超限的抗震加强措施

本工程的抗震设防性能目标定为C级，丙类建筑，结构安全等级为二级，剪力墙抗震等级为一级，中震时出现小偏心受拉的剪力墙按特一级构造。

根据性能目标的设定，采取比规范更严格的配筋构造，提高结构在罕遇地震作用下的抗震性能。

针对中、大震薄弱部位的加强，增强构件延性，采用高性能混凝土，控制底部墙体轴压比不超过0.5，并适当增大墙体配筋率。对出现拉应力的墙肢，通过设置型钢混凝土边缘构件，提高构件延性。对于中震标准值作用下出现偏心受拉的构件，边缘构件纵筋配筋率增大至1.4%；受拉区延伸至底部加强区部位以上时，将外墙约束构件延伸至该层，相应墙身配筋率不小于0.4%，并将约束边缘构件延伸至剪力墙轴压比大于0.3的楼层；凹进部位相邻两侧楼板板厚120mm，配筋双层双向设置；东南角的阳台处最外侧剪力墙为丁接，将此阳台推拉门处的墙也设置为剪力墙，以提高此处抗震性能。

为提高连梁的斜截面受弯承载力，中、大震分析下损坏严重的连梁增设两道交叉斜向钢筋或交叉暗撑。

根据大震弹塑性时程分析结果，对于部分大震时损伤较大的墙肢（如Q5，Q2等）采取加大边缘构件及墙体分布筋配筋率（底部加强部位0.4%，一般部位0.35%）的措施，提高抗震性能，减小损伤程度。

部分楼盖加强构造：电梯、楼梯等开洞周边楼板加厚至不小于130，配筋双层双向拉通设置。

针对高宽比超限，在罕遇地震作用下，单桩压力、拉力均小于单桩竖向抗压，抗拉承载力极限值的0.9倍（承载力考虑地震放大系数1.5倍）。

10 结语

本工程采用剪力墙结构体系，把概念设计和抗震性能化设计方法相结合，采用多种计算程序进行了弹性和弹塑性的计算，对结构的体系和构件布置进行了详细分析，针对结构中的薄弱环节进行针对性加强，使得各项指标均满足规范及预设性能目标的相关要求。

综上所述，本工程结构除能够满足竖向荷载和风荷载作用下的有关指标外，抗震性能目标满足C级的要求，整体结构合理有效，并且安全可行。