超高层住宅剪力墙结构设计问题探讨

超高层住宅剪力墙结构设计问题探讨

梁梅

重庆市设计院重庆400013

摘要：随着超高层住宅建设项目的日益增多、其结构设计问题逐步引起工程设计人员的高度关注。本文主要以剪力墙结构为案例进行分析，从分析结构设计、探究结构计算方面进行探讨，分析结果表明，结构合理设计、针对性对结构相对薄弱部位采取对应加强措施对提高结构性能、保证结构安全是有效可行的。

关键词：超高层住宅；结构设计；结构计算

引言：某工程属于一栋超高层住宅楼，地下为1层，地上总共为46层，嵌固层位置为基顶，建筑高度为152.9米，该结构形式为剪力墙结构。结合规范要求，6度区剪力墙结构所适用的最大A级高度为140米、最大B级高度为170米，故此结构为B级高度（超A级）的高层建筑。场地地面粗糙度类别为B类，此结构进行位移计算时基本风压取50年重现期0.40kN/m2，结构强度验算时采用100年一遇的基本风压值0.45kN/m2。场地抗震防烈度为6度，地震加速度为0.05g，设计地震分组为第一组；建筑场地类别属于Ⅲ类，基础形式为筏板基础。

1.主体结构设计

1.1地震作用及相关的抗震措施

结合该项目的《建设场地地震安全性评价报告》可知，小震下水平地震产生地震影响系数最大值为0.0622，特征周期为0.38s，中震和大震下地震影响系数最大值分别为0.180和0.3367，均大于抗震规范给出的6度设防的地震影响系数最大值，从安评谱与规范反应谱的对比关系可以看出，在0~6s范围内安评反应谱谱均大于规范反应谱，所以本工程地震作用计算时采用《建设场地地震安全性评价报告》给出的数据。由于此结构为超A级高度的高层建筑，在结构设计时应采取更严格的抗震措施。本结构的抗震等级为二级。

1.2抗侧力体系进的布置和分析

高层建筑结构在抗震设计时，要重视建筑体形和结构的总体布置。由于建筑体形不合理或结构总体布置不合理而造成的地震灾害，在国内外的大地震中都有所见。建筑体形指建筑的平面和立面；结构的总体布置指结构构件的平面布置和竖向布置。该工程平面呈现为梭形，其长宽比为2.31，高宽比为5.16，结合建筑自身特点，合理布置剪力墙，底部几层剪力墙墙厚多数为300mm，局部墙肢为400mm厚，从八层开始多数剪力墙墙厚为250mm，标准层墙肢均为200mm厚，混凝土等级为C30~C55，钢筋主要采用HRB400级，箍筋采用HPB300级钢筋。根据PKPM相关计算结果，地震作用和风荷载作用下，结构的层间位移角均能满足规范要求，其位移曲线基本上呈现出弯曲型，比较大的层间位移角在三十层附近出现，最大的层间位移角为1/985，满足规范要求。

1.3结构超限情况介绍

高度超限情况，该结构高度为152.9米，超过6度区剪力墙结构所适用的最大A级高度为，故属于B级高度高层建筑，高宽比X、Y向均未超过6，符合规范要求；平面规则性情况，结构楼板的有效宽度与典型宽度的比值为0.69，大于0.5，符合规范要求；在规定水平力作用下，考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件最大弹性水平位移与该楼层两端弹性水平位移平均值的比值最大值为1.45，超过1.2未超过1.5；竖向规则性情况，建筑竖向无缩进和外挑，不存在竖向尺寸突变，竖向均匀规则，楼层侧向刚度比满足规范要求。故此结构属于B级高度的平面不规则结构。

1.4性能化设计的目标

结构抗震性能目标是针对某一地震设防水准而期望建筑物能够达到的性能水准或等级，是抗震设防水准与结构性能水准的综合反应。根据工程的场地条件、社会效益、结构的功能和构件重要性，并考虑经济因素，结合概念设计中的“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点弱构件”的基本理念，对该结构按规范中性能目标C进行设防地震及罕遇地震作用下的性能化设计，即在多遇地震作用下各构件为弹性，承载力和变形符合现行规范规程的相关要求；设防地震作用下，普通竖向构件轻度损坏，即正截面承载力按不屈服设计、抗剪承载力按弹性设计；设防地震作用下，耗能构件部分中度损坏，即抗剪按不屈服设计；罕遇地震作用下，普通竖向构件部分中度损坏、耗能构件部分比较严重损坏，即正截面进入屈服阶段，受剪不发生脆性破坏。

2.结构计算分析

该工程弹性设计时使用的是SATWE进行计算。用BUILDING软件进行相应的校核和比较，并且使用弹性时程分析结构和前者进行分析，其计算结构主要如下所示。

2.1弹性分析结果对比

结构自振周期及周期比

由此可知，第一振型和第二振型分别向Y向以及X向平动，第三周期主要为扭转。X、Y方向振型所参与的质量都能符合规范大于百分之九十的要求，扭转振型和第一平动周期之间的比值会小于规范限制的0.85。

从分析结果得知，两个软件下结构的周期比、位移比、刚度比、层间位移角及基底剪力等相关参数均满足现行规范要求；另外，从两个软件的计算结果对比看出，除地震作用下倾覆弯矩有差别外，别的结果都非常接近，说明两个软件在小震阶段的分析结果是可靠的。

2.2时程分析结果

依据抗震规范的规定，选取两组实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线，使其平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采取的地震影响系数曲线在统计意义上相符。

采用所选取的三条地震波，对该结构进行弹性时程分析和动力弹塑性时程分析。将弹性时程分析结果与振型分解反应谱的结果进行对比分析，从基底剪力和位移角曲线方面得知，本工程所选取的地震波所得的底部剪力能很好的满足规范要求、位移角曲线与振型分解反应谱所得的曲线形状相似，并都能满足规范要求，所以所选取的地震波能够符合规范要求，其可以应用于后面的动力时程分析中、振型分解反应谱法计算的结果也可以作为结构设计的依据。

采用EPDA软件对结构进行动力弹塑性时程分析，在罕遇水准地震波输入下，分别提取出结构在X向、Y向的最大层间位移角曲线、楼层剪力曲线以及结构塑性分布图，最大的层间位移角为1/233，且整个位移角曲线图并没有比较大的突变，满足性能设计预设的剪力墙结构在罕遇地震下层间弹塑性位移角的要求，也满足大震不倒塌的抗震设防目标；从塑性分布图看出，部分梁端形成塑性铰，形成耗能构件，而剪力墙整体的塑性发育不明显，仅在底部几层部分竖向构件出现塑性铰，并未发现明显的薄弱层。

2.3关键构件验算分析

根据之前设定的性能设计目标，对于关键构件除了需要验算多遇地震下的正截面和斜截面承载力外，还需验算在设防地震和罕遇地震下的承载力及截面情况。具体验算内容有：设防地震作用下连梁抗剪不屈服、剪力墙正截面不屈服，罕遇地震作用下连梁和剪力墙抗剪不发生脆性破坏等。

验算结果表明，构件能够满足小震弹性、中震不屈服的要求，在大震作用下，只有个别竖向构件在底部楼层发生屈服，能够达到预设的抗震性能目标。

总结：综上所述，本工程结构虽为平面不规则的B级高度高层结构，但经过结构合理设计、针对性对结构相对薄弱部位采取对应加强措施，通过PKPM和BUILDING两个软件对结构的对比分析可判定所选用的结构具备良好的抗震性能，结构方案切实可行。说明对结构的薄弱部位采取的加强措施能够有效地提高结构的抗震性能，结构能达到预期的抗震性能目标。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范（GB50011-2010）[S].北京：中国建筑工业出版社，2010

[2]中华人民共和国行业标准.高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）[S].北京：中国建筑工业出版社，2010

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[4]刘博.某高层住宅剪力墙结构设计及其力学性能分析[D].河北工程大学,2014.13（08）：167-269