岳阳友阿国际商业广场E栋住宅结构设计

【摘要】岳阳友阿国际商业广场E栋住宅原为建筑高度93.55m、7层高位转换的框支剪力墙结构，后因建设方原因对标准层建筑方案进行了修改，并将建筑高度增加至135.30m，修改后该建筑采用带支撑的框支剪力墙结构体系，是具有刚度突变、构件间断类的上下墙不连续（转换）、扭转不规则及偏心布置等3项不规则，同时具有高位转换1项复杂类型的复杂超B级高度高层建筑。根据设定的抗震性能目标，对主体结构进行了小震、中震和大震性能计算。针对结构不规则，采取了相应的加强措施。计算结果表明，结构设计能达到预期的抗震性能目标。

【关键词】超限结构;框支剪力墙结构;抗震性能化设计

1、工程概况

本项目位于湖南省岳阳市， 抗震设防烈度为7度（0.1g），总建筑面积为630736m2。本栋为E栋住宅楼，下部为7层商业，上部为32层，采用部分框支剪力墙结构，结构第7层为转换层，属高位转换。本工程原设计建筑高度为93.55m，施工负一层梁板时，因建设方需求，建筑高度修改为135.3m，且对上部住宅户型进行了调整，方案调整后，本工程建筑高度为超B级高度，不仅需重新进行超限审查，还需对结构已施工部分进行加固处理。目前该工程已顺利通过超限审查。

本工程结构设计基准期为50年，结构设计使用年限50年，结构安全等级二级，抗震设防类别裙楼部分为乙类，住宅部分为丙类，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.35s，地面粗糙度类别为C类，基本风压为0.40kPa。本工程共设四层地下室，上部结构计算嵌固端为地下室顶板。

2、结构体系

本工程采用部分框支剪力墙结构体系，转换层位于结构第7层，抗侧力体系主要组成如下：

（1）转换层上部为钢筋混凝土剪力墙;

（2）转换层下部为型钢混凝土柱-钢筋混凝土梁（转换层为型钢混凝土梁）框架与混凝土落地剪力墙，转换层局部大跨度转换（约12m跨）位置采用型钢斜撑转换。

框支框架、转换斜撑、底部加强区剪力墙抗震等级为特一级，其它位置框架和剪力墙抗震等级为一级。

3、基础设计

本工程原设计基础形式为筏板基础，持力层[1]为中风化板岩④，地基承载力特征值fak=1500kPa。方案调整后，经重新计算原设计地基承载力满足方案调整后的设计要求。部分墙柱位置基础抗冲切不满足要求，采取加固方式对该类位置基础进行了加厚处理。

4、结构超限判别及性能目标

4.1 结构超限判断

本工程超B级高度，另外本工程还存在刚度突变、转换、扭转不规则及偏心布置等3项不规则，同时具有高位转换1项复杂类型，属于超限高层建筑。

4.2 性能目标

根据高规[2] 3.11.1条要求，结合超限情况及专家建议，结构总体抗震性能目标定为C级，结构体系中各部分构件的抗震性能目标见表1。

5、结构整体计算分析

5.1 小震弹性计算

采用PKPM（V4.2版本）软件对结构进行弹性计算分析，并采用ETABS软件进行了计算复核，计算结果表明，两种软件主要指标计算结果相近。X，Y向剪重比调整前虽不满足规范最小剪力系数1.6%要求，但均不小于规范限值的0.85，根据抗规[3]5.2.5条及条文说明进行地震剪力调整后，均能满足规范要求;因转换层存在转换斜撑，第6层X向刚度比最小层刚度比不满足规范限值要求，存在软弱层;其它周期比、位移比、层间位移角、刚重比、受剪承载力之比等参数均能满足规范要求。

5.2 小震弹性时程补充分析

根据高规[2]5.1.13条，本工程采用PKPM进行了小震弹性时程分析补充计算。计算分析时，所采用的各条地震波的加速度峰值为35cm/s2，并分别沿X向、Y向和Z向三个方向加载，地震波持续时间t均不小于15.5s。时程波采用三向施加，主方向：次方向：竖向=1：0.85：0.65。本工程时程分析选用2组天然地震波和1组人工波进行计算。

弹性时程分析主要结果如表3所示。计算结果表明，3条时程曲线主方向作用下的基底剪力及其平均值与反应谱的比值均满足高规4.3.5条规定。计算结果反映，时程分析多数楼层剪力均大于CQC法的楼层剪力，施工图设计时需对X、Y向地震力进行放大。

5.3 中震分析

采用PKPM软件进行中震不屈服和中震弹性计算，主要分析结构最大层间位移角及各结构构件是否满足性能目标要求。计算结果表明，本工程设计能满足预期的中震作用下的性能目标要求。此外，对底层墙肢和框架柱及转换层进行中震作用下的拉应力验算，少部分虽出现拉应力，但平均名义拉应力均未超过两倍砼抗拉强度标准值，在该部分柱、墙内均配置型钢或钢板，用以抵抗该部分拉力。

5.4 动力弹塑性时程分析

采用PKPM-SAUSAGE程序进行了罕遇地震作用下弹塑性时程分析，并采用MIDAS GEN 2018软件进行了对比分析，结果如表4所示。

由计算结果可知：

（1）主体结构在地震作用下的最大弹塑性层间位移角小于规范的限值1/100，满足规范“大震不倒”的要求。

（2）从弹塑性与弹性模型基底剪力情况可以看出，由于结构损伤，刚度适度退化，表明结构拥有良好的耗能体系，设计方案比较合理。

（3）结构抗倾覆力矩与大震倾覆力矩的比值满足规范要求。

（4）三条波作用下地震反应基本规律一致，结构损伤情况主要表现为框架梁、连梁等构件部分出现了明显的损伤，大部分出现了轻度破坏，较好地发挥了耗能作用;框支柱損伤程度很低，基本未出现塑性铰，且底部加强区无破坏，仅裙房柱出现了轻微破坏，同时上部楼层仅发生轻度损坏。

结构的总体抗震性能良好，大震作用下满足既定性能目标要求。

6、关键构件计算分析

采用YJK程序中实体单元对框支柱、框支梁、转换层上下部剪力墙及转换层楼板进行整体有限元应力分析，通过应力分析结果校核配筋，并采取相应加强措施。

采用ABAQUS软件对型钢转换梁的极限承载力进行了计算，经分析，各转换梁的大震内力均小于极限抗弯承载力，且有较大的富余，进一步验证了转换梁在大震下的安全性。

7、针对超限采取的主要應对措施

7.1 整体结构的应对措施

（1）优化转换层上下部结构刚度，使其接近1;

（2）采取设置型钢、增大柱截面与加大梁截面的方式以提高框架的抗侧刚度，增加框架的剪力分担比;

（3）通过框支框架剪力按0.3V0与1.5Vfmax调整的方式，提高框支框架柱强度储备，保证二道防线安全。

（4）采用多种软件进行对比分析，了解结构在地震时程下的响应过程，并寻找结构薄弱部位进行针对性加强。

7.2 剪力墙的应对措施

（1）严格控制加强区墙体在重力荷载代表值设计值下的轴压比在0.5以下;

（2）底部加强区域内，提高角部墙体的约束边缘构件配筋率，提高加强区墙体的承载力与延性;

（3）严格控制剪力墙截面的剪应力水平;

（4）设置钢板剪力墙。

7.3 转换柱的应对措施

（1）采用型钢砼柱作为框支柱，并控制型钢的含钢率为4～6%;

（2）控制柱的地震作用下的轴压比小于0.60，同时控制柱截面的剪应力水平。

7.4 框支梁的应对措施

（1）采用工字形型钢混凝土梁作为框支梁，严格控制抗剪截面;

（2）大跨度框支梁位置采用在型钢混凝土转换梁下设置型钢混凝土斜撑转换;

（3）端部剪力较大的部分框支梁采取竖向加腋加强措施，提高抗剪性能。

（4）对主次框支梁及型钢混凝土斜撑等关键部位进行有限元应力分析，通过应力分析结果校核配筋，并采取相应加强措施。

7.5 其他相关应对措施

（1）根据弹性时程分析情况，施工图设计时对双向地震力进行放大;

（2）转换层位置上、下部剪力墙，根据计算需要适当增加薄弱部位剪力墙截面，同时提高此区域剪力墙墙身配筋率至0.45%，墙身布置双层双向交叉斜向钢筋加强，以提高其抗剪能力;

（3）楼电梯井处200mm剪力墙较薄且为薄弱位置，提高底部加强区墙身配筋率至0.39%;

（4）根据楼板应力分析情况，对洞口周边及上部楼层四周的楼板采取板厚加大、提高配筋率等加强措施。

结语：

本工程存在多项超限，在设计中根据建筑特点和抗震原则，采用合理的结构体系使其具有良好的结构性能。整体结构采用两种软件进行小震作用下的计算;采用性能化设计方法，对主体结构中震性能进行了验算，并采用PKPM-SAUSAGE和MIDAS GEN 2018进行了大震弹塑性时程分析。计算结果表明，各项指标良好，满足规范的有关要求。同时对关键构件和薄弱环节进行了详细的计算分析并适当加强，更好的保证了结构的安全。

参考文献：

[1]湖南省勘测设计院.岳阳友阿国际商业广场岩土工程详细勘察报告[R].长沙，2017.

[2]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，2011.

[3]建筑抗震设计规范：GB50011-2010[S].2016年版.北京：中国建筑工业出版社，2016.

作者简介：

姜亚鹏，硕士，工程师，一级注册结构工程师。