宏达商城8#楼超限高层结构设计

【摘要】宏达商城8#楼为高99.6米的超限高层建筑，采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系，本文主要针对其超限内容和工程特点介绍其设计思路及设计方法，并根据结构模型计算分析结果对工程的薄弱部位及关键部位采取相应的加强措施，达到抗震性能设计要求。

【关键词】超高层建筑;钢筋混凝土框架-剪力墙结构;结构抗震性能化设计

1、工程概况

宏达商城项目位于海口市金垦路，包括住宅、办公、商业服务配套。一期项目含8栋高层住宅和8#、9#两栋办公楼及地下车库。本文仅以8#楼为例详细介绍，该单体建筑面积为25159平米，建筑高度99.6米，地上19层，采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构，地下一层为车库及设备用房，为框架结构。首层为架空层，层高为5.7m，其余层为标准层，层高5.2m，建筑效果图如图1所示。

工程按照国家规范和海南省现行规范、规程设计，抗震设防烈度为8 度，基本地震加速度为0.3g，建筑场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第二组，特征周期为0.40s，抗震设防类别为丙类。建筑高度属于B级高层建筑; 取50年一遇基本风压0.75kN/m2用于层间变形、1.1x0.75=0.825用于结构强度验算，地面粗糙度取B类; 结构设计使用年限为50 年，结构安全等级为二级。

2、基础设计

基础设计依据地质勘察报告及上部结构荷载，场地土层分布如下：①层素填土、②层细砂、③层粗砂、④层粉质黏土、⑤层强风化玄武岩、⑥层中风化玄武岩、⑦层粉质黏土、⑧层强风化凝灰岩、⑨层中风化凝灰岩，饱和单轴抗压强度标准值ftk=7.61MPa。8#主楼下采用1800m厚平板式桩筏基础，选用直径为800mm的冲孔灌注桩，桩长平均15m，单桩抗压承载力特征值为2600kN，桩端持力层取⑨层中风化凝灰岩层，桩端进入持力层不少于3.2m; 由于场地地下水位较高，车库部分有局部抗浮稳定问题，故车库部分地下室基础采用桩承台+防水板基础，选用直径为800mm的冲孔灌注桩作抗拔桩，抗拔承载力特征值为350kN，桩端持力层及入岩深度与主楼相同。本工程主楼与车库地下室连为一个整体，不设沉降缝和温度缝，设计中每隔30～40m设800mm宽的温度后浇带，底板和顶板钢筋双层双向拉通，并按细而密的原则增强配筋。

3、结构布置及超限情况

本工程结构平面布置图如图2所示，主要抗侧力构件为框架柱和剪力墙，依据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010，剪力墙抗震等级为特一级，框架抗震等级为一级，楼盖体系采用现浇钢筋混凝土梁板体系，嵌固端为地下室顶板，标准层板厚100～130mm，墙体、柱混凝土强度等级为C40～C55，梁、板混凝土均采用 C35，4层以下剪力墙墙厚为500～650、柱截面为110x900，4层以上剪力墙厚度为450～250 mm、柱截面为900x850～850x750，沿竖向高度逐段递减。

依据《海南省超限高层建筑抗震设计要点》的要求，结构超限情况为以下两点：

（1） 本工程建筑高度为99.6米，超出规范8度（0.30g）框架-剪力墙结构A级高度限值，为B级高度。

（2） 扭转不规则：在地震力作用下，考虑偶然偏心的扭转位移比大于 1.2。

4、结构计算与分析

4.1抗震性能目标

针对结构的超限情况，综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、造价等因素后，设定结构抗震性能目标如下表1，对应性能水准参《高规》第3.11节抗震性能目标D的规定。

4.2小震及风荷载作用下弹性计算

弹性分析选用YJK软件（简化墙元模型）和 ETABS 软件（细分墙元模型）进行计算，考虑偶然偏心、双向地震作用、扭转耦联以及施工模拟加载的影响。计算参数依据规范取值，主要计算结果如下：YJK计算的周期T1=2.336、T2=2.243、T3=1.909、Tt/T1=0.82;ETABS计算的周期T1=2.347、T2=2.179、T3=1.911、Tt/T1=0.81;YJK计算的最大层间位移角X向风工况下为1/5767、Y向风工况下为1/1997、X向地震工况下为1/872、Y向地震工况下为1/748;ETABS计算的最大层间位移角X向风工况下为1/5556、Y向风工况下为1/2101、X向地震工况下为1/814、Y向地震工况下为1/736。以上指标两个软件计算结果比较接近，相差较少。

YJK計算X向楼层层间位移的最大值与平均值的比值为1.04，Y向楼层层间位移的最大值与平均值的比值为1.33，属于扭转不规则。

各项计算结果表明， 计算指标满足相关规范要求，截面取值合理，结构体系选择恰当。

4.3  0.2V0  调整

根据《高规》第8.1.4条规定，框架-剪力墙结构各层框架所承担的地震总剪力不应小于0.20V0和1.5Vf，max的较小者，以保证作为第2道防线的框架具有一定的抗侧力能力。

计算结果显示：在规定的水平力作用下结构底层框架部分承受的地震倾覆弯矩为26.8%（X向）和12.5%（Y向），符合《高规》第8.1.3 条中按框架-剪力墙结构进行设计的条件，可按框架-剪力墙结构进行设计，并且按 8.1.4 条进行框架地震剪力调整。

4.4 小震弹性时程分析

根据《抗规》5.1.2 条表规定，采用YJK程序进行了多遇地震作用下的弹性时程分析。按照地震动三要素（频谱特性、有效峰值和持续时间）的要求，选取了5 组天然波和 2 组人工波进行弹性时程分析，在进行时程分析时，主方向与次方向加速度最大值的比例为1.00∶0.85。计算结果显示，7组时程曲线的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符（ 地震影响系数在主要振型的周期点上相差不大于20% ）。计算结果见表2及图3。

如表5所示：7条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%，每条地震波底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65%，计算结果取时程分析法的平均值和振型分解反应谱法的较大值。

4.5 中震不屈服、大震满足受剪截面控制要求

中震和大震計算采用SATWE软件进行计算，按照选定的性能目标 D，对关键构件进行中震不屈服、大震满足受剪截面控制要求（在前期方案阶段大震采用了等效弹性模型）。

按中震不屈服计算得出的组合内力比按小震组合大，中震不屈服计算得出的配筋也大于小震组合，本工程底部加强区剪力墙、柱按中震组合进行强度设计，构件均可以满足中震不屈服的性能目标。

大震作用下，底部X向剪力为110.3MN，与小震CQC的比值为3.46，剪重比1.6%;Y 向剪力为125.3MN，与小震CQC的比值为3.81，剪重比1.8%;X、Y向最大层间位移角分别为1/111和1/116，小于规范限值1/100。在大震情况下，底部加强区剪力墙和框架柱的抗剪计算配筋均在可实施范围，可以实现大震满足受剪截面的性能目标。

5、针对薄弱部分所采取的加强措施

根据工程超限情况及其特点，采取以下加强措施：

5.1 剪力墙是办公楼的主要抗侧力构件，须采取措施提高剪力墙的延性，使抗侧刚度与整体结构延性更好的匹配，以达到框架和剪力墙有效地协同抗震。

针对剪力墙的具体措施有：①底部加强区剪力墙抗震等级提高到特一级，按中震不屈服、大震满足受剪截面的性能目标D进行设计;②底部加强区抗震特一级墙身的水平和竖向分布钢筋最小配筋率按0.4%，约束边缘构件竖向筋最小配筋率为1.4%，配箍特征值提高20%;③中震墙肢平均拉应力验算按照《海南省超限高层建筑抗震设计要点》执行;④本项目底部楼层因墙肢截面高厚比小于4，部分短墙肢指定成框架柱进行了补充计算，实际配筋采用墙模型和柱模型包络设计。

5.2 针对X向剪力墙较少，采用了加大X向外框梁截面，提高外框架承担的地震剪力，底部框架柱采用延性较好的混凝土柱，部分柱采用了型钢混凝土柱，柱轴压比最大为0.65。

5.3 针对Y向缺少耗能机制的不足，采取了在剪力墙中开洞的耗能措施。

结论：

本项目在设计中采用概念设计方法，根据抗震设计原则及建筑特点，首先对整体结构体系及布置进行了仔细的分析并作优化，使其具有良好的结构抗震性能。计算结果表明，多项计算指标均表现较为良好，满足相关规范要求，使不规则程度得到有效控制，同时又通过概念设计及各阶段的计算分析对关键和重要构件进行了适当加强，并在构造措施方面也相应作了处理。

本工程除能满足竖向荷载和风荷载作用下的有关各项指标外，结构抗震性能目标达到D级，因此我们认为结构选型合理、安全、可行。

作者简介：

马月（1973年），女，海南省海口市人，高级工程师，一级注册结构工程师，主要从事建筑工程结构设计工作。