已建超高层建筑拆除剪力墙的结构分析

陈招智，陈 颖，李盛勇，梁智殷

(广州容柏生建筑结构设计事务所， 广州 510170)

1 工程概况

项目位于广东省珠海市，总建筑面积21万m2，包括高层住宅12栋、别墅19栋、商业大楼1栋，各塔楼结构均已封顶。应开发的需要，建设方提出了调整4#，6#，7#楼的户型平面，地下室层数由1层增加为2层等需求。改建前、后塔楼首层均为架空层，基本信息见表1，改建前项目实景照片见图1。

改建前、后塔楼建筑信息 表1

图1 改建前项目实景照片

4#，6#，7#楼的改建涉及拆除4片原结构主抗侧力剪力墙，改建方案的推演以及结构分析是本文介绍的重点。各栋楼改建思路基本相同，本文以7#楼为例进行介绍，其改建前后建筑标准层平面布置见图2、图3。

图3 改建后建筑标准层平面布置

结构抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，地震设计分组为第一组；50年重现期基本风压0.8kN/m2，地面粗糙度类别为B类，体型系数为1.4。

2 塔楼改建方案的推演

2.1 混凝土结构改建方案

混凝土结构改建方案指在拆除剪力墙后，按改建后建筑平面重新布置剪力墙的方案，见图4。该方案存在以下问题：1)在施工顺序上，新增剪力墙是自下而上施工，剪力墙拆除是自上而下施工，施工过程需确保整体结构受力稳定，施工难度大，难以实现；2)新增剪力墙需在架空层上层转换，采用改建的方式实现框支转换，可靠度低；3)新旧混凝土结构连接需大量植筋，施工质量较难控制，建筑品质难以保证。

图4 混凝土结构改建方案的剪力墙平面布置

2.2 钢结构改建方案

钢结构改建方案指拆除剪力墙并在其受力相关范围采用钢结构，与原混凝土结构共同组成混合结构体系。从抗侧体系组成的特征看，X向为带部分钢框架的框架-剪力墙结构体系，Y向为剪力墙结构体系。该方案标准层结构平面布置见图5。该改建方案有如下特点：1)在既定梁高满足楼层净高要求下，钢结构梁能轻松实现12m跨的需求，无需增加竖向构件；2)由于无需增加竖向构件，结合施工顺序，楼层自上而下的拆除与楼层钢结构安装可以同步施工；3)需复核墙肢减少后对其余墙肢轴压比及整体刚度的影响，需采取合理的补偿措施；4)钢梁与原结构剪力墙采用铰接设计，施工相对简单，质量易于保证。

图5 钢结构改建方案标准层结构平面布置

综合上述判断，参照相关工程案例[1-2]，该项目采用钢结构改建方案，并对其作进一步的可行性分析、研究。

3 钢结构改建方案的可行性研究

3.1 主要构件承载力分析

采用YJK软件对钢结构改建方案结构构件进行承载力分析得到：楼层钢梁最大应力比为0.69(图6)；楼层钢梁最大挠度12.8mm，挠跨比1/888；楼层最小自振频率为10.64HZ，位于阳台外侧边梁位置；剪力墙最大轴压比小于0.46(图7,8)；结构构件的各项竖向受力指标均满足规范要求且有一定安全冗余。

图6 标准层钢梁应力比

图7 拆除墙肢后首层剪力墙轴压比

图8 拆除墙肢后2层剪力墙轴压比

3.2 基础承载力复核

改建采用钢结构方案后，结构的总重量较原结构减小，恒载+活载(D+L)作用下改建前、后基础内力见图9。由图9可以看出，被拆除的4片剪力墙位置，基础内力减小，周边剪力墙的基础内力增加，符合受力经验判断。经复核，原基础承载力满足规范要求，塔楼基础无需加固。

图9 改建前后基础内力/kN

3.3 钢结构改建方案的刚度补偿分析

3.3.1 结构的刚度分布特点

改建前结构X向刚度分布特点：X向剪力墙少，框架抗侧贡献大，属于框架-剪力墙结构。由于改建仅拆除Y向剪力墙，拆除剪力墙后，X向刚度的减小源于X向框架榀数的减少。

改建前结构Y向刚度分布特点：Y向主抗侧力贡献源于中部Y向布置的剪力墙，拆除的4片剪力墙均不在抗侧主贡献区，见图2。拆除了剪力墙后，结构Y向刚度的减小源于非Y向抗侧主贡献区的4片剪力墙的拆除。

3.3.2 刚度补偿方案概述

结合结构的刚度分布特点，刚度补偿方案采用在结构X向砖墙转角位置设置钢柱与钢梁形成空间受力的空腹钢桁架以提供刚度，钢柱向下仅落至3层钢梁的位置；结构Y向在抗侧力主贡献区外围设置端柱或者剪力墙，见图10。

图10 刚度补偿方案标准层平面布置图

3.3.3 刚度补偿方案的特点

在竖向受力上，钢梁无需钢柱支撑，结合自上而下的施工顺序并采取后安装施工方式，底部钢柱的轴压比仅为0.01，其实际分担的竖向力很小，钢柱为非竖向承重构件。

在抗侧受力上，钢梁与混凝土墙、柱为铰接连接，钢柱与钢梁为刚接连接，钢柱与钢梁形成空腹钢桁架参与抗侧受力，可以有效地提升整体结构抗侧刚度。

从施工角度，钢梁与原有结构剪力墙采用铰接连接，构造简单。叠合端柱及剪力墙均在建筑外围设置，施工便利。

从建筑使用角度，由于钢柱后安装，竖向力小，有利于钢柱截面控制。

3.3.4X向刚度补偿方案的内力特点以及不同刚度补偿措施下的刚度对比

地震作用下设置钢柱及未设置钢柱时同榀框架梁、柱弯矩分布示意图见图11。由图11可知，设置钢柱后，钢柱及与钢柱相连钢梁在水平力作用下产生内力，为结构提供侧向刚度。

图11 地震作用下设置钢柱及未设置钢柱时同榀框架梁、柱弯矩分布示意图

Y向刚度补偿措施：抗侧力主贡献区外围增设端柱及剪力墙；X向刚度补偿措施：钢框架内部增置钢柱以形成空腹受力框架。风荷载作用下不同刚度补偿措施时结构最大层间位移角见表2。由表2可以看出，在结构双向均未采取刚度补偿措施时，结构最大层间位移角均不满足规范层间位移角限值1/800要求；仅在Y向抗侧力主贡献区外围增设端柱及剪力墙后，结构Y向最大层间位移角明显降低，说明结构Y向抗侧刚度明显增大；在X向钢框架内部设置钢柱后，结构X向最大层间位移角明显降低，说明结构X向抗侧刚度明显增大。

在结构双向均采取上述刚度补偿措施后，结构双向最大层间位移角均明显降低，且均能满足规范层间位移角限值1/800要求。

风荷载作用下不同刚度补偿措施时结构的最大层间位移角 表2

4 改建结构的抗震性能目标

改建结构抗震性能目标的选取及构件性能水准要求同原设计，按C级。结合改建后结构的受力特点，增加以下两类重要构件的性能水准要求：1)对于钢柱，因钢柱为非承重竖向构件，性能水准同一般水平构件；2)结构楼板是新、旧结构连接的重要构件，其性能目标按小震弹性，中震抗弯不屈服、抗剪弹性，大震满足抗剪截面要求设计。

5 结构计算与分析

采用YJK和ETABS软件对结构进行小震、中震及风荷载作用下的计算，大震弹塑性采用SAUSAGE软件进行计算。施工加载按实际施工方案进行准确模拟。

5.1 小震及风荷载作用下结构计算

(1) 结合改建结构特点，在采用YJK软件进行计算时，混凝土阻尼比取0.05，钢材阻尼比取0.03，通过计算得到结构前3阶振型的阻尼比分别为0.043,0.049,0.048，因此在小震及风荷载计算时结构计算阻尼比偏安全地取0.04。

钢梁、钢柱采用外包钢筋混凝土的方式以满足防火、防腐要求[3]，构造示意见图12。钢材容重考虑防火面层荷载的等效容重输入，偏安全地不考虑外包混凝土对钢梁、钢柱刚度的影响。

图12 钢梁防火构造示意

改建施工采用了分段拆除，同步安装，各施工分段之间相互约束的施工方案，具体介绍见文献[4]。结构受力与施工顺序密切相关，楼层及构件的施工顺序均在软件计算中根据实际情况进行模拟。

(2) 采用YJK和ETABS软件对结构进行小震及风荷载作用下的计算[5-7]，主要计算结果见表3及图13～15。由表3可以看出，YJK和ETABS软件计算结果相近，且均满足规范要求。

图13 小震作用下结构层间位移角与楼层位移曲线

图14 风荷载作用下结构层间位移角与楼层位移曲线

图15 小震作用下楼层侧向刚度比与受剪承载力比曲线

主要计算结果 表3

5.2 中震性能计算及楼板应力分析

按第3性能水准及构件分类要求复核中震作用下的构件性能[5]，计算结果显示，中震下各构件性能均可满足规范要求，构件性能基本由小震控制，施工图按包络设计。

因2层及以上楼层的剪力墙数量减少，且2层楼板起到了变形协调的作用，补充中震作用下楼板的应力分析，结果见图16。由图16可以看出，在新旧混凝土楼板交界位置，混凝土拉应力小于混凝土抗拉强度标准值，满足性能要求。考虑到此层楼板的重要性，采取增加50mm厚配筋混凝土面层作为加强措施。

图16 中震下2层楼板主拉应力云图/MPa

5.3 大震动力弹塑性时程分析

根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)[5]，选取2条天然波和1条人工波，采用SAUSAGE软件对结构进行大震下的弹塑性分析，主要分析结果见表4。由表4可以看出，大震下结构最大层间位移角为1/214，满足小于规范限值1/150的要求；大震弹塑性分析所得剪重比为5.67%～9.65%，为小震的4.2～5.7倍，与弹性大震下计算结果的比值在0.6～0.9之间，说明结构出现塑性损伤后刚度下降。

SAUSAGE主要分析结果 表4

大震动力弹塑性时程分析结果表明，钢框架柱和钢框架梁均无塑性应变，满足抗震性能要求；各类构件表现良好，能够满足预设性能目标要求。

6 节点构造

钢框架梁与主体结构混凝土柱、剪力墙连接节点未采用常规锚筋植入主体结构的方式，而是创新性地采用高强混凝土过渡段作为连接锚固体，进行受力连接，见图17。设计时考虑了以下几点：1)钢框架梁与混凝土梁头采用铰接构造，钢框架梁与混凝土墙、柱之间设置高强混凝土过渡段，过渡段范围内保留原框架梁纵筋，钢框架梁锚板锚筋与梁头保留纵筋在过渡段进行锚固；2)最大程度地利用原混凝土框架梁纵筋，避免大量植筋对主体结构的损伤；3)框架梁梁头用梯级打凿方式以提高抗剪能力，见图18；4)钢框架梁采用外包钢筋混凝土为防火层，外包混凝土完成面与节点区完成面平齐，见图12。

图17 钢梁与混凝土结构连接节点

图18 梁头打凿照片

7 现场静载试验

施工初期，委托广东省某公司对改建完成的楼层进行了现场静载试验。试验目的是验证已完工楼层在竖向荷载作用下能否满足理论计算的荷载-变形关系及规范要求的挠度限值，并验证楼面及钢梁节点裂缝的情况。

试验采用原位加载方法，加载荷载值按正常使用荷载工况下的钢框架梁理论挠度确定，在每根钢框架梁底部设置5个挠度测点，分别设在支座点位(距离支座500mm位置)，支座点位之间1/4点位，见图19。加载过程记录钢框架梁挠度，观测构件裂缝发展情况。因GKL3跨度最大，现以GKL3为例，对试验情况及数据进行说明。GKL3的加载、卸载挠度曲线见图20，21，现场加载照片见图22。

图19 钢框架梁挠度记录点位平面图

由图20,21可以看出，在各级试验荷载作用下，GKL3挠度变化均匀，最大挠度值为0.64mm，对应最大试验荷载的理论挠度值为5.9mm，试验最大挠度远小于理论计算值。卸载过程中挠度变化呈弹性状态，全部卸载完成时，残余挠度小。

图20 GKL3加载过程挠度曲线

其余钢框梁的试验结果以及数据规律与GKL3类似，也均满足要求。

图21 GKL3卸载过程挠度曲线

图22 现场静载试验图片

项目改建施工采用了分段拆除，同步安装，各施工分段之间相互约束的施工方案。施工方案相关的拆、建顺序，施工技术要求及施工阶段结构验算，见文献[4]。

8 结语

项目塔楼已封顶，因建筑布局的调整拆除4片主抗侧力剪力墙，改建设计及施工难度较大。创新性地提出采用带局部钢框架的框架-剪力墙结构体系，较好地解决了改建难题。且该改建方案经工程院院士为首的专家组进行了技术评审，评审意见一致认为“加固改造设计、施工、监测方案合理可行”。