某超高层住宅项目抗震超限设计与分析

王 永

（贵州大学勘察设计研究院有限责任公司，贵州 贵阳 550025）

0 引言

在推动城市更新发展的过程中，为满足建筑功能，平衡投资与成本之间的关系，超高层住宅楼作为一种解决方案在各地棚改项目中被广泛应用。国内一些设计单位对超150m 高度的住宅项目结构设计有一些经验，范重[1]等对此进行过一些富有成效的研究，研究主要集中在高烈度地区的钢板剪力墙结构，对低烈度地区普通剪力墙结构有一定的参考作用，但不能直接套用。本文针对某6 度抗震设防结构不规则剪力墙超高层住宅楼，采用弹性设计、性能化设计和动力弹塑性时程分析，探寻结构动力特性，找出结构薄弱部位，采取针对性加强措施，让结构设计更加安全可靠、经济合理。

1 工程概况

本工程位于贵阳市某棚改项目内，由两栋住宅塔楼（1 号楼和2 号楼）及多层地下车库组成，总建筑面积约11.7 万m2。地下4 层，地上49 层，塔楼结构高度152.80m，塔楼高宽比6.5，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）[2]属B 级高度超高层建筑。主要建筑功能为地下车库和设备用房，地上住宅，建筑立面效果图见图1。

图1 建筑立面效果图

项目地下室非全埋，地下一层以上结构设缝断开。设计使用年限50 年，安全等级二级，场地类别Ⅱ类，根据《建筑抗震设计规范 (2016 年版)》（GB50011-2010）[3]抗震设防烈度6度，地震分组第一组，基本地震加速度0.05g，抗震设防类别丙类，基础设计等级甲级，基本风压 W0=0.30kN/m2，场地地面粗糙度C 类。采用 YJK 软件为主要计算程序，采用MIDASBuilding 进行校核对比计算，利用SAUSAGE 软件进行罕遇地震下动力弹塑性时程分析。塔楼标准层典型结构布置见图2。

图2 结构标准层典型平面布置图

2 结构布置和选型

主楼采用现浇剪力墙结构体系。为避免刚度突变，剪力墙尺寸及厚度收进和混凝土强度变化均错开一层以上。剪力墙混凝土等级C60～C30，框架柱（仅地下室有）混凝土等级C40，梁板混凝土等级C40、C30。剪力墙是承重体系和抗侧力体系的重要部分，墙厚度沿高度按350～200mm 逐渐均匀减小。梁、板构件尺寸按经济尺寸并结合计算确定，塔楼层高较低，考虑建筑使用舒适度，适当控制框架梁高度，框架梁典型断面200×500。整体模型示意图见图3。本工程四层地下室中地下四～地下二层为全埋，嵌固端设置在地下一层楼面。取地下一层楼面标高至6 层楼面（从±0.000 算起，H=15.3m）为底部加强部位，并向下延伸至基顶。

图3 静力和动力弹塑性模型示意图

3 抗震设防和性能目标

项目存在建筑高度超限（超过A 级高度限值约9.2%）、规则性超限（扭转不规则、局部楼板错层），根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》[4]，应进行抗震超限专项设计。由于目前房地产市场比较疲软，贵阳市作为弱二线城市，房价不高且上涨乏力，结构设计的关键是既要满足规范要求，又要合理控制土建成本。通过和建设单位密切沟通，咨询有关专家建议，并参考国内及省内已建的类似项目经验，综合考虑抗震设防、建造费用、企业社会责任、震后损失及修复难易程度等各项因素，经多次试算后确定按C 级性能目标设计，具体性能指标见表1。地上部分抗震等级为二级，地下一层和地下二层抗震等级为二级，地下三层和地下四层抗震等级降低为三级。

表1 构件及位移角抗震性能指标

4 弹性计算分析

本工程采用 YJK 和MIDASBuilding 两个不同力学模型的空间分析程序进行计算分析。主要计算结果差异均在10%以下（见表2），主体结构周期、位移、刚度等指标满足规范要求，说明计算结果合理、有效，计算模型符合结构的实际工作状况。选取了五组天然波和二组人工波进行弹性时程分析，分析得出的楼层剪力平均值，在大部分楼层均小于CQC 法规范反应谱得出的楼层剪力。塔楼顶部部分楼层（38 层～屋面层）大于CQC法结果，对相应楼层地震剪力进行放大。中震作用下，结构最大位移角 1/523，小于预设中震位移角限值1/493，符合“中震可修”的预期。各层楼板平均拉应力小于ftk=2.01MPa，平均剪应力小于0.7ftk=1.4 MPa（C30 混凝土），最大拉、剪应力出现在核心筒剪力墙开洞处、错层边缘处，设计中通过加大楼板厚度和配筋，错层位置设置梁和楼板加腋，满足楼板中震弹性的性能要求。

表2 整体电算结果对比表

5 罕遇地震下弹塑性动力时程分析

为了分析结构在罕遇地震作用下的抗震性能、动力响应、变形形态以及整体结构的弹塑性行为，分析构件（特别是关键部位、关键构件）的塑性及其损伤情况，判断结构薄弱部位所在位置，采用 SAUSAGE 软件，选取2 条天然波TH101、TH076 和1 条人工波RGB1（见图4）进行罕遇地震作用下动力弹塑性分析。

图4 地震波谱与规范谱对比图（罕遇地震）

罕遇地震下各地震波基底剪力见表3。X 向最大层间位移角出现在第30 层，为1/389，Y 向最大层间位移角出现在第30层，为1/552。结构X 向顶点最大位移303mm，Y 向顶点最大位移250mm，满足“大震不倒”的设防要求。各条波作用下的楼层位移曲线的变化形式以及大小基本一致，曲线平滑，没有明显突变。

表3 弹塑性大震基底剪力计算结果

计算结果显示，通过设置合理的剪力墙开洞形成连梁，连梁在大震下损伤耗能效果明显，从而保护了主承重墙肢，主承重墙未出现明显的损坏，剪力墙最大程度的损坏均为轻度损坏（见图5）。底部加强区部分框架梁有轻微到轻度的损坏，框架梁在大震下有效地参与了耗能。通过计算分析可见，剪力墙和框架满足性能水准C 的要求。

图5 各工况包络下局部楼层损伤图

6 结论

对于结构不规则的超高层剪力墙结构住宅项目，选择合理的性能目标（低烈度地区可以直接按C 级确定，不会明显增加土建成本），运用可靠的计算分析手段，对承载力、抗震、构造以及关键构件等进行多方面、多角度的分析研究，做到满足规范、经济合理，实现抗震设防目标。