某大高宽比超高层住宅结构抗震设计要点分析.pdf

Jun.20232023年6 月StructuralEngineersVol.39,No.3第3 9 卷第3 期师程结构某大高宽比超高层住宅结构抗震设计要点分析刘哲（上海水石建筑规划设计股份有限公司，上海2 0 0 0 0 2）摘要结合某工程实例，对存在扭转不规则、大高宽比且超B级高度的超高层结构进行分析，并根据超限水平、结构特点及经济性评价等综合因素，选定结构的抗震性能目标。详细阐述主体结构在多遇地震、设防地震及罕遇地震作用下的设计控制指标及设计要点。通过计算分析，验证了结构在不同工况下的整体指标满足规范要求，发现结构薄弱部位并采取相应的加强措施，以达到设计提出的性能目标，结构具备一定的安全储备和良好的抗震性能。关键词超限高层住宅，抗震性能化设计，剪力墙结构，大高宽比，动力弹塑性分析Analysis of Seismic Design Essential Points of a Super-TallResidential Structure with Large Aspect RatioLIU Zhe*(W&R Architectural Design&Planning Co.,Ltd.,Shanghai 200002,China)AbstractBased on one actual engineering case,structural analysis is carried out for a super high-risestructure with torsional irregularity,large aspect ratio and height exceeding the limit of Class B.Seismicperformance objectives are selected according to comprehensive factors such as the code-exceeding degree,structural characteristics and economic evaluation.The design control indexes and points for attention of themain structure under frequent earthquakes,moderate earthquakes and rare earthquakes are described indetail.Through calculation and analysis,it is verified that the overall indexes of the structure under differentworking conditions meet the requirements of specification.Meanwhile,weak positions of the structure arefound,and corresponding strengthening measures are taken to achieve the performance objectives proposed inthe design.The overall safety and reliability of the structure is ensured,and good seismic performance isachieved.Keywordss code-exceeding high-rise residential building,performance-based seismic design,shear wallstructure,large aspect ratio,dynamic elasto-plastic analysis0引言近年来，国内经济飞速发展，城市化发展进程有目共睹,随着建筑用地的大量开发，在有限的土地资源条件下，满足日益提升的居住需求，提高土地容积率，建设超高层住宅无疑是一种比较直接有效的方式 。与此同时,复杂的立面效果、功能多变的平面布局也会造成结构超限，而高宽比的超限对高层建筑的抗震性能要求更为严格。Burak等 2 针对中高层钢筋混凝土结构探讨剪力墙面积占比对其抗震性能的影响，结果表明，为控制剪力墙位移，中高层建筑设计中剪力墙面积占比应不少于1%，当超过1.5%时，结构整体抗收稿日期：2 0 2 2-0 9-2 0联系作者：刘哲（1 990-），男，河南孟州人，工程硕士，工程师，主要从事建筑结构设计与研究。E-mail:195设计方法与研究结构工程师第3 9 卷第3 期震性能提升不明显。Bhavsar等 3 主要就不同建筑高宽比下剪力墙的有效性，探索维持剪力墙有效性的基底尺寸。李广收 4 探讨高层剪力墙优化设计方案，提出剪力墙应采用双向布置，且两个方向的抗侧刚度尽量接近，同时建筑周边宜布置长墙进而提高整体结构抗扭刚度。胡孔鹏 5 研究剪力墙数量与布置方式对高层建筑抗侧刚度的影响，结果表明，增大结构四周剪力墙厚度可明显提高结构的抗扭刚度，同时削弱内部剪力墙可有效提高剪力墙抗侧刚度。国内外对高层住宅的研究大多倾向于中小高宽比的剪力墙的布置及优化设计，而对大高宽比的超限高层结构设计要点及技术措施研究相对缺乏。随着高层住宅需求日益增长，大高宽比的工程实例越来越多，本文以深圳某高层住宅项目T3塔楼为例，介绍大高宽比超限高层建筑抗震设计过程中的相关技术要点。1结构方案比选项目位于深圳龙岗大运新城，项目效果如图1 所示。塔楼建筑高度约1 7 9.7 m，地下2 层，地上4 8 层，标准层高3.6 m，典型平面如图2 所示。结构安全等级为二级，抗震设防烈度7 度（0.1 g），场地类别为类，场地特征周期为0.3 5 s，基本风压为0.6 5 kN/m（5 0 年）。本节主要针对T3塔楼平面特点分别从以下几个方面对结构布置及体系选型进行对比分析修（图1项目整体效果图Fig.1Overall design sketch of the project1.1建筑功能本案例T3塔楼主要建筑用途为住宅，为保证平面布局不被破坏，最大化利用室内空间，满足建筑功能的多样性，提升住宅整体居住品质，后经多32.55015054003050135003200,3150,2.100008c0870s01850一0S95Q00700S00S0s912006OS616三1502.6002.5508.45083503200,3150,3.95015032550图2T3塔楼平面图（单位：mm）Fig.2T3 tower plan(Unit:mm)方论证，最终选取剪力墙作为主要的抗侧力构件。1.2平面特点建筑的高宽比往往是衡量结构抗侧刚度、整体稳定、抗倾覆能力的一个重要指标 6 ,其规范算法为建筑室外地面以上高度H与建筑平面宽度B之比。本项目中，平面形状为非规则矩形且凹凸尺寸较大,B的取值可根据回转半径法 7 计算所得最小有效宽度B.替代。本案例中H=179.7m,B=19.7m，高宽比H/B=9.12，远大于规范要求的限值6。针对本项目大高宽比的平面特点，对下述两种结构方案进行抗倾覆能力、整体稳定性及经济合理性进行综合比较选择。1.3结构方案选型根据T3塔楼建筑平面布局及隔墙分布，竖向构件布置如图3 方案一所示。此方案剪力墙主要分布在内部交通核周边，并在外围各个角部设置框架柱。经初步试算，结构整体各项指标均能满足规1图3结构布置方案一Fig.3Structural layout plan I196Structural EngineersVol.39,No.3Study of Design Method范要求且具备较大的富余，主要原因在于对于大高宽比的高层建筑，结构抗侧刚度主要来源于X、Y两个方向的长墙肢，内部短墙及外围框架柱的刚度贡献相对有限，根据试算结果并与建筑师充分沟通，结构布置进行相应调整如图4 方案二所示，其主要调整如下：（1）取消卧室角柱，调整部分角柱截面，将室内空间最大化；（2）缩短部分Y向内伸剪力墙，提高剪力墙利用率和可变空间的可行性；（3）调整交通核细长墙肢布置，在不影响使用功能前提下尽可能减轻结构自重针对上述两种方案及大高宽比的特点，下面将分别从抗倾覆能力、整体稳定性及经济性方面做进一步的比选。图4结构布置方案二Fig.4Structural layout plan II1.3.1整体指标汇总结合上述两种方案的结构布置，采用YJK软件进行初步电算，计算结果见表1。表1方案一与方案二计算结果汇总Table 1Summary of calculation results ofscheme I and scheme Il项目限值方案一方案二T,(Y平动)4.674.62自振周期T,(X平动)3.433.43(前3 周期）T,(扭转)2.562.40总重力荷载（恒+活）/5.8x1045.0 x104X向6.51036.0 x103基底剪力/kNY向6.41036.1103X向1.60%1.12%1.19%剪重比Y向1.30%1.11%1.22%X向1/12741/1436位移角1/597Y向1/11201/11501.3.2抗倾覆验算高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3一2010)8中1 2.1.7 条明确规定对于高宽比大于4 的高层建筑，基础底部不宜出现零应力区，结构是否具备良好的抗倾覆能力则是判断基础底部是否出现零应力区的关键。两种方案考虑单体相关范围内传递至基础的倾覆力矩验算最不利结果见表2。表2抗倾覆验算结果Table 2Anti-overturning checking results抗倾覆力矩倾覆力矩结构布置比值M/(kNm)M/(kNm)方案一5.26x1068.641056.09方案二4.981067.911056.30从上述计算结果可以看出，方案二的抗倾覆力矩与倾覆力矩的比值略大于方案一，即前者抗倾覆能力要优于后者，且两种方案在基础底部均未出现零应力区针对方案二的优势，对其中震弹性和大震等效弹性下选取两个方向中最不利部位对结构抗倾覆能力进行复核，验算结果见表3。表3方案二抗倾覆验算结果Table3Anti-overturning checking results of Scheme Il抗倾覆力矩倾覆力矩结构布置比值M/(kNm)M/(kNm)中震4.98x1061.751062.84大震4.98x1063.80 x1061.3从上述计算结果可以看出，方案二在中大震工况下抗倾覆安全系数均大于1.0，但大震工况下基底端部存在零应力区，在基础设计时，通过工程桩抗拔来抵抗倾覆弯矩造成的拉力，从而使基底不易产生较大零应力区1.3.3整体稳定性验算高层建筑的整体稳定性主要表现在控制结构的重力二阶效应，一般包括两部分 9：一是控制由于结构自身变形引起的附加重力效应，使结构不能产生失稳；二是控制结构在水平荷载下产生侧移后重力荷载引起的附加效应不宜过大。刚重比是结构抗侧刚度与重力荷载之比，是反映重力二阶效应的一项重要指标。本项目根据规范算法即控制弹性等效侧向刚度与重力荷载代表值的比值大于1.4。两种方案刚重比的计算结果见表4。197结构工程师第3 9 卷第3 期设计方法与研究表4刚重比验算结果Table4Checking calculation results of stiffness-to-weight ratio结构布置方案一方案二X向4.744.66地震Y向2.812.82X向4.424.45风荷载Y向2.902.88从上述计算结果可以看出，两种方案计算结果均大于2.7,可不考虑重力二阶效应。此外，两种方案在地震工况和风荷载下刚重比相近，说明结构整体的抗侧刚度并没有明显差别，但方案一标准层剪力墙面积占建筑面积约1 1.8%，方案二占比约9.6%，经过优化后方案二的经济性优势更为突出。1.3.4经济性对比针对大高宽比超高层建筑，往往需要通过成榻的抗侧力构件为结构提供足够的抗侧刚度使其具备良好的抗倾覆能力和整体稳定性，这使得建造成本也会大幅提高。本项目中方案一与方案二单位面积混凝土用量及用钢量见表5。表5建造成本统计Table5Construction cost statistics单位面积混凝土单位面积用钢量/结构布置用量/mm*2)(kgm2)方案一0.6774.68方案二0.5762.90两种结构方案中抗侧刚度贡献主要集中在X、Y两个方向的长墙，相比而言，方案二中对部分贡献较小的短墙及端部框架柱进行优化后，材料用量也同时得到了优化，上表也可印证此观点针对本项目大高宽比的特点，通过对比两种方案的抗倾覆能力、整体稳定性及经济性指标可以发现，方案二综合优势更为突出。1.3.5大高宽比结构选型要点综合上述对比分析结果，对于大高宽比超限高层建筑，结构方案选型可着重从以下几点考虑：（1）对于剪力墙占比较多的结构单体，外围框架柱对整体抗侧刚度贡献很小，取消局部框架柱，适当增加邻近剪力墙厚度对整体抗倾覆能力提升更为明显（2）剪力墙布置宜在两个方向形成一道或多道连续均匀长墙，尽可能减少由于形状转折而带来的刚度突变。（3）沿建筑外围剪力墙可适当提高其厚度同时削弱结构内部墙体，可有效提升结构整体抗扭刚度及抗侧刚度。（4）剪力墙端柱内增设型钢不仅可以有效减小柱截面，保证建筑效果，也可以避免由于较大倾覆弯矩而引起的柱底部拉应力超限2超限情况及抗震性能目标设定2.1结构超限情况说明根据文献 8 及超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点（建质 2 0 1 5 6 7 号）1 0 有关规定，本案例的超限情况见表6。表6超限情况简要说明Table 6Brief description of overrun超限项目判断结果判断原因建筑高度H=179.7m大于7 度框高度超限是架-剪力墙结构B级高度1 4 0 m扭转不偶然偏心作用下最大扭转是不规则规则位移比为1.3 6，大于1.2类型凹凸不X向平面凸出相应长边是规则占比3 1%，大于3 0%综上所述，本案例T3塔楼属于超B级高度，且存在两项体型不规则的超限高层建筑，须对结构整体及关键部位进行专项论证分析。2.2结构抗震性能目标设定根据本项目超限程度和结构特点，并考虑抗震设防烈度、场地类别、建筑功能以及社会效益 1 等多方因素，确定T3塔楼抗震性能目标为C级。结构各类构件在不同水准地震作用下的设计要求见表7。3结构整体分析及抗震措施根据上述确定的结构抗震性能目标，本节主要通过多遇地震的弹性时程分析、设防地震作用下的补充分析、罕遇地震下的构件损伤分析进行验证 1 2 1 ，并对结构薄弱部位采取相应加强措施。198Structural Engineers Vol.39,No.3Study of Design Method表7抗震性能目标Table7Seismic performance targets for structures地震烈度多遇地震设防地震罕遇地震性能目标等级C性能水准134结构宏观性能目标完好、无损坏轻度损坏中度损坏层间位移角限值1/5971/125底部加强区剪力墙、框架柱弹性设计抗剪弹性、抗弯不屈服抗剪不屈服、抗弯不屈服其他区域剪力墙、框架柱弹性设计抗剪弹性、抗弯不屈服抗弯部分屈服，弯曲变形 LS框架梁、连梁弹性设计部分抗弯屈服、抗剪不屈服抗弯屈服,弯曲变形75%Y向0.860.84由表8 可知，两种软件计算结果相差1 0%以内，且各项指标均能基本满足规范要求，说明计算假定合理有效。此外，对T3塔楼进行弹性时程分析作为补充验算，各条波的计算结果均能满足规范要求，且计算构件内力的反应谱结果无须放大。3.2设防地震作用下的结构弹塑性分析根据C级性能目标的要求，设防地震作用下，结构满足第3 性能水准，即实现竖向构件抗剪弹性、压弯不屈服或拉弯不屈服，水平耗能构件部分受弯屈服、受剪不屈服3.2.1框架柱受弯不屈服验算角柱在遭遇地震作用时属于双向偏心受力构件且扭转效应对内力影响较大，本节选取典型框架柱Z2进行中震下的受弯不屈服验算，平面位置如图5 所示。为保证建筑立面效果,Z1、Z2 通过增设型钢，在保证轴压比满足规范要求前提下，将原混凝土柱截面缩小2 0%，以保证建筑效果。提取构件中震作用下的内力，结合实际配筋对构件承载力进行分析，结果如图6 所示，由计算结果可以看出，中震作用下框架柱内力均小于截面承载力标准值，且以受压为主，极少199结构工程师第3 9 卷第3 期设计方法与研究墙3墙墙墙4Z1墙5图5 T3典型墙柱截面平面布置Fig.5Typical wall column section plane layout of T3(NY:OI)/N100CapacityN-MxCapacityN-My80N-MxN-My604020-30-202030M/(10kN.m)-40图6 T3栋Z2中震M-N图Fig.6M-N diagram under moderate earthquake of Z2 of T3发生受弯变形，说明框架柱主要用承担竖向荷载，对结构整体抗侧刚度贡献仍以剪力墙为主。3.2.2剪力墙拉应力验算根据文献 1 0 的要求，中震时双向水平地震下墙肢平均名义拉应力大于1.0 f时，宜设置型钢，且不宜大于2.0 fk。本案例中，建筑高宽比为9.12，远大于规范要求限值，在水平地震作用下，底部墙肢往往会出现较大拉力。选取图4 中外围剪力墙进行拉应力复核，结果显示在水平地震作用下，底部墙肢拉应力均为超过1.0 fk，无须设置型钢即可满足中震下的性能目标要求。3.3罕遇地震作用下结构动力弹塑性时程分析本节基于PERFORM-3D有限元软件进行罕遇地震作用下结构动力弹塑性分析。选取基底剪力较大的2 组天然波和1 组人工波对塔楼进行大震弹塑性分析，通过对比梁受弯，以及墙和柱轴压、弯矩及剪切作用，评估结构整体的塑性发展情况和构件损伤情况，进而判断结构是否满足罕遇地震作用下的性能目标。在各组地震波作用下，T3塔楼结构整体位移指标如图7 和图8 所示。从图中可以看出，塔楼在罕遇地震工况下，X向最大层间位移角为1/2 4 1,Y向最大层间位移角为1/2 0 1,均能满足大震作用下规范要求的1/1 2 5 位移角限值。50451/12540353025楼201510天然波1天然波25人牛波00.0020.0040.0060.008Y向位移角图7T3X向最大层间位移角Fig.7Maximum inter storey displacement anglein X-direction of T350451/12540353025201510天然波1天然波25人土波00.0020.0040.0060.008Y向位移角图8 T3Y向最大层间位移角Fig.8Maximum inter storey displacement anglein Y-direction of T3根据性能水准4 的设计要求，罕遇地震作用下，除结构整体指标满足设计要求之外，耗能构件和关键竖向构件的损伤分布及损伤程度也是评估结构在大震作用下是否具备良好抗震性能的关键因素。3.3.1连梁损伤分析连梁作为主要的耗能构件，在模拟加载初期，大部分连梁受弯达到I0水准，随着加载的逐步推进，连梁损伤范围及破坏程度逐步扩大，2 2 3 0 层范围内个别连梁破坏最为严重，如图9所示。为保证全楼连梁可共同参与耗能，在后期施工图设计中，根据计算结果将此部分连梁纵筋配筋率提高3 5%5 0%，并增设交叉斜筋等措施，从而适当提高其承载力及耗能能力，达到协调耗能的目的。200Structural EngineersVol.39,No.3Study of Design Method一图9T3连梁受损分布示意图Fig.99 Schematic diagram of damage distributionof coupling beam of T33.3.2框架柱、剪力墙损伤分析框架柱、剪力墙作为结构关键竖向构件,为结构整体提供侧向刚度，是抵御水平地震力、实现“大震不倒”概念设计的重要组成部分。在大震工况下，此类构件的承载力水平与材料的应力发展情况是判断构件能否可以继续使用的关键因素。经软件分析，在罕遇地震工况下仅个别框架柱受弯达到1 0 水准，大部分框架柱仍处于弹性阶段。框架柱剪切应力均小于所控制的剪切应力0.15fk，满足规范的框架柱抗剪承载力要求。相比框架柱而言,剪力墙的抗侧刚度要大得多，在大震作用下底部剪力墙最先出现破坏。T3塔楼罕遇地震下剪力墙应力发展情况如图1 0 所示。首层墙体三维应力分布二层墙体三维应力分布Min.Ratio0.0.68图1 0T3剪力墙截面剪应力分布Fig.10Shear stress distribution of shear wall of T3从图1 0 可知，绝大部分剪力墙材料应力发展均在控制范围以内，仅底加区个别长墙在大震作用下超出控制应力0.1 5 fk，对此处容易损坏的剪力墙构件，在施工图设计阶段将此部分墙肢水平筋由原来的0.2 5%提高至0.4 4%，使其具备一定的安全储备，避免发生脆性破坏，进而达到罕遇地震下的性能目标。3.3.3耗能分析地震作用传递至建筑单体后，结构内部通过结构动能、结构阻尼能及结构滞回能三部分逐级消耗地震波输入的巨大能量 1 3 。大震作用下结构弹性与弹塑性基底剪力对比计算结果见表9。表9T3栋大震作用下基底剪力Table9Base shear of T3 under strong earthquake地震波指标方向RGTR1TR2平均值X向3.31043.11043.11043.1104大震弹塑性时程基底剪力/kNY向3.0 x1043.21042.91043.1x10*4X向3.6x1043.71043.71043.7104大震弹性时程基底剪力/kNY向3.71043.91043.61043.7104X向89.4%84.3%81.6%85.1%大震弹塑性/大震弹性Y向82.0%81.9%81.4%81.8%从表中可以看出，塔楼在大震作用下弹塑性与弹性基底剪力比X向约为0.8 5,Y向约为0.8 2，说明大震作用下，结构整体刚度出现明显退化，地震能被进人塑性阶段的构件耗散。图1 1 表示罕遇地震作用输人内部结构的能量主要由质量动能、可恢复应变能、模态阻尼能及非线性耗能耗散。由图可知，非线性耗能占比最大，占总量的4 0%5 0%，而各类构件非弹性耗能占比分布中，绝大部分能量由连梁、框架梁吸收。结合上述耗能结果，连梁及框梁在水平地震作用下率先产生塑性变形从而耗散大部分能量直至破坏退出工作，而框架柱主要承受竖向荷载，未发生较大弯曲变形,对整体耗能贡献较小，进一步印证了方案二对框架柱优化的有效性，即在保证201结构工程师第3 9 卷第3 期设计方法与研究质量动能可恢复应变能100模态阻尼能非线性耗能908070605040302010000.751.502.253.003.75时间s图1 1T3栋结构能量平衡图Fig.11T3 structural energy balance diagram良好经济性的同时通过适当提高连（框架）梁的构造措施，削弱框架柱的占比可有效提升结构整体耗能能力。4结 论（1）针对大高宽比结构特点，弱轴方向上的抗侧刚度往往需求更高，剪力墙的布置沿弱轴方向宜形成成片长墙，同时也要保证两个方向刚度差异不宜过大，在满足一定经济效益的前提下，可有效提升结构抗倾覆能力和整体稳定性。（2）对于高宽比不小于6 的高层建筑，除满足小震作用下抗倾覆要求外，还应补充中、大震作用下抗倾覆稳定验算。其中小震及中震基底不宜出现零应力区，大震作用下可结合基础设计保证基底零应力区满足规范要求（3）针对大高宽比的框架-剪力墙高层建筑，结构抗侧刚度主要来源于两个方向的剪力墙，框架柱的贡献较为薄弱，在结构平面布置过程中，可对外围框架柱进行适当优化，提升经济性的同时仍具有一定的安全储备。（4）在大震作用下，大高宽比高层结构容易发生较大弯曲变形，位于中部楼层处的连梁变形协调机制往往率先介人并发生严重破坏。在施工图设计中，可适当加强此部分连梁构造措施，保证结构整体变形协调能力，提高耗能能力，使其满足大震中度损坏性能目标。（5）大震作用下，底部剪力墙承担着较大地震剪力，在施工图设计过程中可适当提高竖向及水平分布筋配筋率，以提高整体抗拉和抗剪承载力。参考文献1 曹玉龙.超高层住宅设计的技术对应措施研究 D.长沙：湖南大学，2 0 1 4.Cao Yulong.Research on technical countermeasures ofsuper high-rise residential design D.Changsha:Hunan University,2014.(in Chinese)2 Bu r c u Bu r a k,H a k k i G u r h a n C o m l e k o g l u.E f f e c t o fshear wall area to floor area ratio on the seismicbehavior of reinforced concrete buildings J.Journal ofStructural Engineering,2013,139(11):1928-1937.3 Nehal A Bhavsar,Noopur A Shah,Satyen D Ramani.Study on effectiveness of shear wall on differentbuilding aspect ratio 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