江阴某超限高层住宅结构设计与分析

刘玉

（江苏省建筑设计研究院股份有限公司，南京 210019）

1 工程概况

本工程位于江阴市城市客厅C 区域A 地块，总建筑面积为24.1 万m2，地上总建筑面积18.3 万m2。地上6#、9#、10#、11#楼为15～34 层的高层住宅楼，12#、13#楼为7 层商办楼，8#楼为46 层的超高层住宅楼。地上各栋单体通过地下停车库连成一整体，地下1 层层高为3.4 m。8#楼及南侧局部设置两层地下室，地下2 层层高为3.4 m，地下1 层层高为5.45 m（含夹层，夹层层高为2.75 m）。

8#楼位于场地东北侧，地上由两栋左、右对称单元组成，左右单元设置抗震缝，形成独立的结构单体，缝净宽度不小于400 mm，均采用剪力墙结构，标准层层高3.05 m，建筑高度均为140.95 m，单塔建筑平面长度为28.9 m，宽度为22.2 m。建筑效果图如图1 所示。

图1 建筑效果图

本工程结构设计使用年限为50 年，抗震设防类别为标准设防（丙类），结构安全等级为二级，地基基础设计等级为甲级，建筑桩基设计等级为甲级，抗震设防烈度为6 度(0.05g)，场地类别为Ⅳ类，场地特征周期0.75 s。基本风压0.45 kN/m2，按此基本风压的1.1 倍进行结构承载力计算，风载体型系数为1.54（考虑周边建筑风力干扰系数1.1）[1]。地面粗糙度为B 类。

2 结构方案

本工程采用钢筋混凝土剪力墙结构。根据建筑平面使用功能的要求合理布置剪力墙，以达到传力明确、有效抵抗地震力和风荷载的效果。

剪力墙沿高度方向连续，基础顶～27 层楼面剪力墙厚300 mm，27 层～屋面剪力墙厚200 mm。夹层楼板（-2.75 m）作为上部结构的嵌固部位，地下室顶板（-0.07 m）考虑实际嵌固作用，板厚均不小于180 mm，配筋率均不小于0.25%。塔楼标准层楼板厚度120 mm，卫生间和阳台板厚90 mm。剪力墙混凝土强度等级从C60 渐变为C30，其余梁板混凝土强度等级均为C35。标准层结构平面布置如图2 所示。

图2 8#楼标准层结构平面图

3 结构超限判别

根据JGJ 3—2010 《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]（以下简称《高规》），以及《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）中对不规则项指标的相关规定，本工程主体结构屋面标高为140.95 m，抗震设防烈度超过6度区A 级高度剪力墙结构最大适用高度限值140 m，但未超过B 级高度170 m，故为B 级高度超高层。此外，本工程建筑的高宽比为6.41，超过6 度区全部落地剪力墙最大高宽比6限值，高宽比超限。

本工程还存在考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2、小于1.4 的扭转不规则项。

根据本工程的超限程度，结合超限审查专家意见，确定剪力墙为关键构件。具体抗震性能目标如表1 所示。

表1 结构抗震性能目标

4 结构计算及分析结果

4.1 小震下的反应谱分析

根据《高规》5.1.12 条规定，本工程主体结构采用PKPM和MIDAS 两种不同力学模型软件进行计算，并对计算结果进行比较分析。计算地震作用时，采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法，并考虑±5%偶然偏心和双向水平地震作用（两者不同时考虑）。两种软件中材料力学参数和地震参数设置均一致。夹层楼板作为上部结构的嵌固端，带入地下室相关范围进行上部结构计算。两种软件的计算结果对比如表2所示。

表2 结构总体指标计算结果对比

通过对比分析，两个不同计算内核的结构分析软件计算结果相近，说明模型及计算结果是合理且有效的，计算模型符合结构实际工作状态，可作为结构设计依据；结构设计采用PKPM 软件计算结果可靠，能够满足多遇地震下的安全要求。

4.2 弹性动力时程分析

本工程采用PKPM 对建筑结构进行了弹性动力时程分析。作为多遇地震下的补充计算，选用PKPM 自带的两条人工波和五条天然波，地震波反应谱与规范反应谱对比如图3所示。

图3 所选地震波反应谱与规范反应谱对比图

结果表明，每条时程分析曲线计算所得的结构底部剪力均大于振型分解反应谱法计算结果的65%，7 条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值大于振型分解反应谱法计算结果的80%，弹性时程分析结果满足规范要求；位移曲线无较大突变，结构侧向刚度较为均匀，结构体系无明显薄弱层；时程反应包络值接近反应谱计算结果，X向、Y向最大层间位移角均满足规范的限值要求。7 条时程曲线分析得出的局部楼层剪力平均值略大于反应谱分析结果，设计时对反应谱法计算所得的地震剪力局部楼层应按比例进行放大。

4.3 结构抗震性能化设计

按照设定的性能目标要求，采用SATWE 软件进行中震及大震作用下构件承载力验算，以确定其达到设定的性能目标要求。计算分析时，均不需考虑风荷载作用、地震力调整、偶然偏心及活荷载不利布置，周期折减系数和中梁刚度放大系数均取1.0。连梁刚度折减系数中震取0.4，大震取0.25；地震影响系数最大值中震取0.12，大震取0.28；阻尼比中震取0.05，大震取0.075；场地特征周期中震取0.75 s，大震取0.80 s。其余参数由软件根据性能目标自动处理。

通过对底部加强部位墙肢中震不屈服计算，各墙肢拉应力均小于混凝土抗拉强度标准值ftk，满足规范要求。底部加强区剪力墙抗剪、抗弯钢筋均按中震弹性计算，墙肢未出现超筋超限现象。在加强区以上二层设置过渡层，按底部加强区要求，并和小震计算结果进行包络。中震下出现小偏心受拉的墙肢按特一级抗震构造设计。通过对剪力墙大震不屈服计算，剪力墙墙肢截面可以满足抗剪截面控制要求。

4.4 弹塑性静力推覆分析

根据《高规》，高度不超过150 m 的高层建筑，可采用静力弹塑性分析方法。本工程塔楼高度为140.95 m，平面较规则，可采用弹塑性静力分析法，选用PKPM 的PUSH&EPDA 弹塑性静力分析模块作为分析工具。

计算结果表明，罕遇地震作用下，结构最大弹塑性层间位移角为1/284，满足规范1/120 的位移角限值要求。

从梁、墙破坏铰图可以看出，罕遇地震作用下，整个结构连梁首先产生塑性铰，且进入塑形阶段的时间也比较早，分布也比较广泛，发挥了较大的耗能能力；墙产生塑性铰的数量很少，主要分布在底部加强区，损伤程度较小，满足“大震不倒”的设防目标。结构设计时，适当地提高底部加强区墙体的配筋率，以提高结构的整体性能。

5 针对结构超限采取的加强措施

为提高结构具有很好的承载能力和延性，针对本工程超限情况，结构设计主要采取以下加强措施。

1）合理布置结构竖向构件，减小质心与刚心的偏差，降低结构扭转的不利影响；加强外围刚度，外围墙体开洞处采用强连梁连接，提高结构的抗扭转能力。

2）提高墙体配筋率，底部加强区剪力墙墙身竖向和水平分布钢筋配筋率提高至0.30%；在6～7 层设置2 层过渡层，过渡层的剪力墙配筋同约束边缘构件；过渡层以上构造边缘构件配筋率提高至0.7%；剪力墙配筋采用小震和中震分析结果包络设计。

3）严格控制地上塔楼间抗震缝宽度不小于400 mm，满足中震弹性结构变形要求，以提高结构的抗震安全性。

4）针对高宽超限，采用两种不同力学模型软件对小震和风荷载作用下的结构抗倾覆验算，保证基础底面与地基之间不出现零应力区。

6 结语

本工程属于高宽比超限的B 级高度高层建筑，存在1 个不规则项，没有特别不规则项。抗震设防烈度6 度区基本风压较大，结构小震下地震反应小于风荷载反应。在结构设计时，采用两种不同力学模型的空间分析软件SATWE 与MIDAS对整体结构进行弹性计算，并进行对比分析，各项指标均满足规范相关要求。针对超限，依据不同性能目标对结构构件进行小、中、大震分析，并采取加强措施。论文分析结果表明，本工程主体结构体系安全可行，结构设计合理，计算结果满足现行规范要求，符合“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震性能目标。