某超高层框剪结构设计

某超高层框剪结构设计

陈奇纳

悉地国际设计顾问(深圳)有限公司广东深圳518000

摘要：某高层住宅为框剪结构，属超B级高度超限建筑。设计分别采用ETABS和SATWE程序分析计算，对两种程序计算的结果加以判断后用于构件设计。通过计算分析和采取相应的抗震构造加强措施，基本保证了结构具有较好的抗震性能，达到抗震设防目标。该项目针对超限结构采取的抗震分析方法及构造加强措施，可供类似超限高层结构设计参考。

关键词：超限高层结构；框架-剪力墙结构；弹性时程分析

引言

建筑结构的设计主要是考虑建筑物的整体安全性，然后综合考虑建筑外观及造型、给排水设计、通风设计、电气设计及整栋建筑的其他方面。在实际的结构设计过程中，通常必须遵循结构安全、设计经济和造型美观的原则，尽可能地提高结构的舒适性并在保证结构设计安全性的基础上控制建筑的成本。

1建筑结构优化设计的内涵

建筑结构优化设计不仅能提升建筑的抗震性能和受力性能，还可节约资源，提升经济效益，具有重要的现实意义和经济价值。建筑结构优化设计应以原建筑方案为基础，兼顾建设现状以及经济成本进行合理优化，以主体结构和围护结构方案为内容，建立结构优化设计模型，通过科学计算，最终得出结构优化方案。建筑结构优化设计根据建筑的构成可分为：①主体结构的优化设计；②基础结构的优化设计；③建筑建筑细部结构的优化设计；④建筑围护结构的优化设计。建筑结构优化设计需综合考虑舒适性、功能性等因素，并立足于经济性进行造价控制，尽可能做到建筑结构造价的合理缩减。

2结构特点及所面临的问题

建筑平面布置将电梯井道、楼梯、设备用房、卫生间等服务型功能的空间布置于塔楼中间区域，办公、会议室等布置于周边；沿高度方向，建筑立面追求简洁、实用的设计理念，建筑外形尺寸基本相同；基于上述建筑功能要求，参考类似工程经验，结构体系初步确定为框架-核心筒结构，其基本思路是利用中间区域的电梯井道、楼梯间墙体等组成核心筒，外周圈均匀布置框架柱。混凝土结构可塑性强、用钢量少，取材方便，维护成本低，加之混凝土和钢筋强度等级不断提高，促使混凝土结构在超高层建筑建造中得到广泛应用。但混凝土结构存在自身质量大、结构构件尺寸较大等问题。钢-混凝土混合结构是将钢与混凝土组合而成的结构类型，可有效发挥钢与混凝土自身的优点。基于本工程高度并不是很大，并无太多复杂超限内容，以及对结构造价的控制，结构材料拟选择混凝土结构或钢-混凝土混合结构。

3工程概述

本项目为超高层住宅，框剪结构，地上46层，房屋高度为148.65m。一般板式高层住宅多采用剪力墙结构，本项目则采用框剪结构，属超B级高度超限建筑。设计采用ETABS、SATWE程序进行计算对比分析，并采取相应的抗震构造加强措施，使结构具有较好的抗震性能，以满足现行规范各项抗震设防设计要求。地上46层，框剪结构，剪力墙、框架抗震等级一级。上部结构嵌固端取在地下室顶板。主楼竖向规则，无突变。抗震设防类别丙类，设防烈度7度，设计地震分组第二组，设计基本地震加速度值0.15g，特征周期0.45s，场地类别Ⅱ类。主楼基础采用人工挖孔灌注桩基础，桩端持力层为中风化花岗岩层。

4地震作用

结构抗震计算采用振型分解反应谱法计算，并考虑扭转对结构的影响，地震作用分别考虑双向地震作用和质量偶然偏心的不利影响，取二者不利值作为结构设计的依据。承载力设计以反应谱和时程分析包络值两者之不利效应进行设计验算。中震和大震计算时，采用抗规反应谱进行验算。小震作用下，当周期小于约3s时，安评提供的地震影响系数较大；反之，规范较大。中震和大震作用下，当周期小于约3.5s时，安评提供的地震影响系数较大；反之，规范较大。

5抗震超限情况

根据要点及抗规规定，本项目的超限情况有：（1）高度超限：结构高度148.65m，大于140m（B级），超B级高度。（2）凹凸不规则：高宽比6.74，大于6；平面外凸尺寸大于相应投影方向总尺寸的30%。（3）扭转不规则：在规定水平力作用下，楼层最大水平位移（层间位移）与平均值的比值为1.241（ETABS）、1.251（SATWE），大于1.2。

6弹性分析计算结果

设计以ETABS为主要计算分析软件，同时采用SATWE对ETABS分析结果进行校核。分析时，均采用振型分解反应谱法计算地震作用，并考虑了偶然偏心及双向地震作用；采用CQC法进行振型组合，采用抗规方法计算双向地震作用。

6.1周期与有效质量系数。第一振型为X向平动，第二振型为Y向平动，第三振型为扭转振型。SATWE和ETABS的结构周期计算结果表明，结构扭转为主的Tf与平动为主的T1的比值均小于高规规定的0.85。计算结果均符合抗规规定。

6.2结构总质量及整体稳定计算。SATWE和ETABS的刚重比计算结果表明，本工程满足高规规定的整体稳定要求。

6.3楼层剪重比。计算结果表明，地震剪力与重力荷载代表值之比，均符合抗规规定。

6.4层间位移角与位移比。弹性层间位移的计算结果表明层间最大位移与层高的比值均符合高规规定。计算结果表明，X向的位移比均小于1.2，Y向的最大扭转位移比大于1.2，但不大于1.4，符合高规规定。

6.5楼层侧刚比与受剪承载力。楼层侧刚比按地震剪力与层间位移比算法计算。计算结果表明，各楼层与其相邻上层侧向刚度的比值均≥1，符合高规规定。受剪承载力的计算结果表明，各楼层抗侧力结构的受剪承载力与其上一层受剪承载力比值最小值的比值均≥0.75，符合高规规定。

6.6框架承担的水平地震剪力。计算结果表明，经调整后的框架承担的水平地震剪力符合高规规定。

6.7框架承担的总地震倾覆弯矩。小震作用下，ETABS计算的框架承担的总地震倾覆弯矩X向为42.9%，Y向为10.9%；SATWE计算的框架承担的总地震倾覆弯矩X向为45.6%，Y向为10.1%。符合高规对框剪结构的规定。

6.8小结

以上考虑小震作用的弹性计算分析结果表明，本工程各项指标均能满足相关规范的有关要求，能达到小震作用下“结构处于弹性状态，各构件无损伤、完好”的第一阶段的抗震性能目标。

7针对超限情况采取的加强措施

主体结构采用ETABS模型进行分析设计，并采用SATWE对ETABS模型的整体计算结果进行校核。此外，还采取以下加强措施：

（1）底部加强区的框架、剪力墙以及中震下小偏心受拉的竖向构件抗震等级按特一级，特一级的框架柱、剪力墙端柱加设型钢。

（2）中震作用下，底部加强部位的剪力墙承载力按抗剪弹性、抗弯不屈服设计，框架柱按抗剪、抗弯弹性设计。

（3）对重要部位的连梁配置钢板，以加强其抗剪性能，实现“强剪弱弯”。

（4）适当增加落地剪力墙的配筋，提高剪力墙暗柱及墙身的配筋率，保证大震作用下剪力墙延性良好，不产生剪切破坏。某高层住宅属超B级高度超限建筑，通过计算分析和采取相应的抗震构造加强措施，基本保证了结构具有较好的抗震性能，满足抗震设防要求。该项目针对超限结构采取的抗震分析方法、计算手段及构造加强措施，可供类似超限高层结构设计参考。

参考文献：

[1]严仕基,姚永革,顾太华.合富大厦结构抗震超限设计[J].广州建筑,2010,38(04):3-9.

[2]沈晗.厦门某超高层建筑结构抗震设计与性能[J].广东建材,2013,29(07):44-48.

[3]钱钧珑.某超限建筑结构抗震设计[J].居舍,2017(31):79.