某框支- 剪力墙超限高层结构设计

1 工程概况

本项目位于市，是集住宅、商业、幼儿园、车库功能于一体的商住小区。项目总建筑面积18 万㎡。地上 1 号楼为 38 层超高住宅，本文针对1 号楼进行结构分析。

结构抗震设防类别为标准设防类，设计使用年限为 50 年 ， 建筑结构安全等级为二级 ， 地基基础设计等级为一级。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 ， 场地类别为 II 类。基本风压为 0.75kN/m2

2 基础设计及方案

本工程的地基基础设计等级为甲级，设计抗浮水位取室外地坪标高下 0.5m_⨀ 。根据场地条件，经综合比较分析，塔楼采用灌注桩基础，持力层为中风化混合花岗岩，地下室外墙采用灌注桩基础，持力层为强风化混合花岗岩，其余区域采用预应力管桩基础，持力层为全风化混合花岗岩，地下室底板厚度为 0.5m_⨀ 。

3 结构体系及超限设计

3.1 塔楼结构体系选择

本项目 1# 塔楼为住宅，地上 38 层，地下3 层，塔楼屋面高度 139.150m ，结构体系为部分框支 -剪力墙结构体系。

首层高度 6.0m，为框支转换层；标准层层高 3.60m 。两个避难层分别设置在12 层和 26 层，层高均为 3.60 ；避难层以上两层为局部架空，有大开洞，存在局部穿层墙。

3.2 主要结构构件截面尺寸

（1）地下室外墙厚（mm）：500mm，抗渗等级为 Pl0

（2）转换柱最大为 1600x1500mm，剪力墙厚度从 500mm 渐变到

（3）楼板厚（mm）：地下室顶板180mm，转换层楼板 200mm ，其余各层为 100～150mm_⨀ 。3.3 超限检查及性能目标确定

根据上述超限类型逐条检查，塔楼存在高度超限、楼板不连续、扭转不规则和转换层，属于超B 级高度的一般不规则超限高层建筑。

根据本工程的超限情况，以及与业主的沟通结果，选定本工程的抗震性能目标为《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010 中的C 级目标，即：多遇地震下满足性能水准1 要求；设防烈度地震下满足性能水准 3 要求；预估的罕遇地震下满足性能水准4 要求。

4 多遇地震及风荷载作用下结构弹性静力分析

4.1 主要结果

多遇地震下弹性静力分析主要采用盈建科结构设计软件（YJK）和 MIDAS BUILDING 软件进行计算。主要计算结果见表 1。

表1 主要计算结果对比

4.2 风荷载作用下墙肢受拉验算

由于本工程结构高宽比较大，且平面形状大体呈方形，横风效应明显，因此对风荷载作用下，各墙肢、端柱和框架柱的拉力进行了验算。拉力验算时，仅考虑混凝土的作用，不考虑钢筋的作用。各墙肢拉力计算时的组合工况为：恒载 +0.5 活载 ± （X 向或Y 向风荷载）。

塔楼的框架柱及剪力墙在风荷载作用下，局部框架柱和剪力墙出现拉力，各层均小于 1.0ftk ；对于出现拉力的墙肢和框架柱，采用竖向钢筋来承担风荷载作用下的拉力。

4.3 小震分析结论

通过 YJK 和 MIDAS BUILDING 两种软件对比分析的各项指标的一致性、规律性，表明结构模型真实，可靠。风荷载作用下出现部分墙肢和端柱受拉，应加强受拉构件的竖向钢筋。框架梁或连梁与核心筒平面外搭接处，应设立暗柱且按计算进行配筋，保证墙身平面外的承载力和稳定性。弹性时程分析的地震波符合规范要求，弹性时程分析与 CQC 反应谱法分析结果对比表明：CQC 反应谱法计算结果基本都大于弹性时程分析法计算的平均值。从以上弹性分析结果可以看出，结构处于弹性状态，塔楼具有合适的刚度和承载力，结果均满足规范对小震不坏的要求。两种计算软件分析结果符合工程经验及力学概念所作的判断，结构方案是合理且满足规范要求的。

5 罕遇地震作用下非线性地震反应分析与抗震性能评价

对塔楼采用 ABAQUS 进行弹塑性时程分析计算，以达到如下目

（1）评价结构在罕遇地震下的弹塑性行为，根据主要构件的塑性损伤情况和整体变形情况，确认结构是否满足“大震不倒”的设防水准要求；

（2）研究高度对结构抗震性能的影响，包括罕遇地震下的最大顶点位移，最大层间位移以及最大基底剪力；

（3）研究结构剪力墙、梁柱、楼板等结构构件的损伤及塑性应变影响

（4）根据以上分析结果，针对结构薄弱部位和薄弱构件提出相应的加强措施，以指导施工图设计。

5.1 剪力墙损伤情况

在罕遇地震下，剪力墙保持完好，剪力墙的受压损伤主要集中在连梁上，起到了很好的耗能作用。

（1）大部分连梁进入塑性，出现较明显损伤，有效保护了剪力墙；

（2）连梁损伤主要出现在连接Y 向墙体处；

（3）转换层上一层部分剪力墙未出现明显损（4）其余大部分墙体未出现受压损伤。

总体上，结构的剪力墙大部分保持完好，部分剪力墙出现中度损伤，整体上属于轻度损伤，在大震作用后，仍能发挥传递竖向荷载的作用，处于良好的工作状态，满足剪力墙结构大震不屈服的性能目标。

5.2 框支框架损伤情况

转换层上层部分剪力墙有轻微损伤；转换梁有轻微损伤，最大损伤值约为 0.03AA 。在大震作用下框支柱和框架柱的损伤情况，从图中可以看出，中部框架柱，损伤值最大为0.06，整体均未出现明显损伤，钢筋均未进入塑性，总体上属于轻度损伤，满足大震不屈服的性能目标。

5.4 大震分析结论

（1）在考虑重力二阶效应及大变形的条件下，结构的最大层间位移角为 1/320（人工波 1X 主方向作用下），满足高规1/120 的限值要求。

（2）各条地震波在相同方向的层间位移角曲线趋势基本一致，最大层间位移角主要出现在 20、26、27、36 层。

（4）从层间位移角曲线看，各条波作用下的曲线趋势基本一致。其中人工波作用下楼层位移角略大。

（5）结构剪力墙大部分保持完好，部分剪力墙出现中度损伤，在整体上属于轻度损伤，在大震作用后，仍能发挥传递竖向荷载的作用。

（6）转换构件受压最大损伤约为 0.01，钢筋均未进入塑性状态，框支框架属于轻微损伤，满足框支框架大震不屈服的性能目标。

（7）框架柱的混凝土受压损伤集中在中部楼层，损伤值均在0.06 以下。中下部楼层柱保持完好，基本未出现受压损伤。框架柱中的型钢及钢筋未出现塑性应变。满足框架柱部分屈服的性能目标。

（8）大部分混凝土框架梁损伤值在 0～0.1 范围，根据前文所述的评价标准，属于中度损伤，部分框架梁损伤大于 0.2，属于比较严重损伤，起到了较好的耗能作用，满足框架梁作为耗能构件的性能目标。

（9）竖向构件边缘及核心筒内楼板出现一定的混凝土拉裂请况，但板钢筋均未进入塑性。楼总体处于轻度～ 中度损伤，楼板钢筋基本保持弹性，在大震作用下仍能有效传递水平力。

（10）剪力墙设置多处连梁，连梁普遍出现明显受压损伤，发挥了较好的耗能作用。

（11）墙柱均满足“广东高规”3.11.3 条第四性能水准结构大震下竖向构件受剪截面剪压比不大于0.15 的要求。总体上看，罕遇地震作用下，结构整体及各构件的抗震性能满足本报告提出的 大震性能目标，结构能够满足“大震不倒”的要求。

结构抗震概念设计与构造

（1）剪力墙采取逐步内收的方式，并与混凝土等级以及柱截面变化错开，以避免刚度突变；（2）在剪力墙底部加强部位及其上一层（基础顶板 ～ 地上 4 层），设置约束边缘构件；再上两层设过渡层（地上4 层～6 层），纵筋同约束边缘构件，箍筋介于约束边缘构件与构造边缘构件之间；（3）弹性时程七条波的平均值小于规范谱值，所以按规范谱设计。

（4）加强由于平面凸凹不规则造成的楼板薄弱连接处的构造措施，适当加大板厚至120～150mm，并双层双向拉通配筋。对转换层楼板，局部开洞

参考文献

[1] 混凝土结构设计规范：GB 50010 － 2010 [S]. 北京 ： 中国建筑工业出版社，2011.

[2] 徐培福. 复杂高层建筑结构设计[M1. 北京： 中国建筑工业出版社.2005.

[3] 周建龙. 超高层建筑结构设计与工程实践[M1. 上海： 同济大学出版社，2017.

[4] 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.