转载自建筑结构《三金潭超限高层住宅结构设计》作者：李必雄， 侯国求， 池碧波
［摘要］ 三金潭车辆段综合开发项目地处抗震不利地段，A 地块有11 栋塔楼和裙房( 含商业、社区服务中心及幼儿园) ， 11 栋塔楼均采用钢筋混凝土剪力墙结构体系，且有9 栋塔楼为B 级高度，存在高度超限和扭转不规则、凹凸不规则两项平面不规则情况。综合考虑场地特点、超限程度及分析结果，设定住宅塔楼的抗震性能目标为D 级。采用YJK，ETABS 和PEＲFOＲM-3D 等软件对超高层住宅群进行了小震、中震和大震作用下的计算分析。结果表明，塔楼结构布置合理，地基处理及加强措施安全可靠，结构整体能满足设定的抗震性能目标。
［关键词］ 超限高层建筑; 地基处理; 性能化设计; 动力弹塑性时程分析
1 工程概况三金潭车辆段综合开发项目位于武汉市东西湖区碧水大道与金潭路之间。项目地块被地铁3号线的联络线切为A，B 两块用地，本文仅对A 地块作详细介绍，建筑效果图见图1。A 地块组成情况: 2 栋45 层超高层住宅( A1，A2 ) ，结构高度135. 3m; 2 栋50 层超高层住宅( A10，A11) ，结构高度154m; 7 栋55 层超高层住宅( A3 ～ A9) ，结构高度169. 45m; 裙房由1 栋4 层商业服务中心、1栋5 层社区服务中心和1 栋5 层幼儿园组成。除A1，A2 塔楼与架空车库大平台不相连外; A3 ～ A11塔楼及裙房均位于架空车库大平台上。A 地块规划总用地面积为93 800m2，容积率为3. 36，计容总建筑面积为315 600m2。
项目场地被地铁联络线及咽喉区打断，联络线高于地面标高，本项目A3 ～ A11 塔楼及裙房通过架空处理，将住宅入户标高抬高至地上10m 处，地上1层( 即盖下1 层，层高3. 9m) ，地上2 层( 即盖下2层，层高5. 2m) 为架空车库，从地上3 层开始为普通住宅层，层高3. 0m; 每栋塔楼根据要求设置2 或3个避难层，层高3. 15m; 各塔楼顶均设有10m 高构架。所有建筑仅在塔楼范围内设两层地下室，地下1 层层高3. 0m，地下2 层层高4. 2m。典型塔楼( A11) 建筑剖面图图2。
2 结构体系11 栋超高层住宅均采用钢筋混凝土剪力墙结构体系，楼屋盖采用钢筋混凝土梁板体系。地下室剪力墙厚度为400mm 或350mm; 地上外圈剪力墙厚度由底部350mm 或300mm 逐级收进至顶部200mm，内部墙体厚度由底部300mm 或250mm 逐级收进至顶部200mm。剪力墙混凝土强度等级由地下室C50 逐步变成顶部C30。塔楼范围外架空车库为框架结构，框架柱截面为600×600。框架柱混凝土强度等级为C40。
每栋塔楼边均设置防震缝与架空车库大平台脱开，如图3( a) 所示，这样塔楼可按独栋单塔进行设计。整个超长架空车库大平台用四条伸缩缝切分为5 个单元，如图3( b) 所示，并在每个单元内设置后浇带和膨胀加强带，可有效控制温度应力。典型塔
图2 典型塔楼( A11) 建筑剖面图
楼( A11) 标准层建筑平面图和结构平面图如图4、图5 所示。
3 基础设计3. 1 基础选型
塔楼范围内采用桩筏基础形式，筏板厚3m，桩型为钻孔灌注桩，桩径均为1 000mm，桩身混凝土强度等级为C45。单桩竖向承载力特征值Ｒa =8 560kN，为减少桩底沉渣，提高桩的承载力，采用桩底后压注浆。
塔楼桩基持力层为⑩－1中风化灰岩或⑩－2中风化泥灰岩，有效桩长约为42～73m。工程桩施工时逐桩进行施工勘察，勘察钻孔进入桩端下完整岩石的深度不小于5m。裙楼范围采用独立桩基础形式，承台厚1. 5m，桩型为钻孔灌注桩，桩径均为700mm，桩身混凝土强度等级为C35。单桩竖向承载力特征值Ｒa =3 300kN，为减少桩底沉渣，提高桩的承载力，也采用桩底后压注浆。
3. 2 地基处理
根据地勘报告［1］，场地覆盖层20. 0m 深度范围
内等效剪切波速为119 ～ 139m/s，小于150m/s。且局部区域塔楼( A10，A11) 下部覆盖层厚度大于80m，评定为Ⅳ类场地; 其余塔楼下部覆盖层厚度均为50 ～ 80m，评定为Ⅲ类场地。鉴于此，对塔楼A10，A11 筏板范围外不小于1m 的土体采用高压旋喷桩进行咬合加固处理。高压旋喷桩桩径为600mm，桩中心距0. 5m，桩长20m，采用格构式布置。布置方式如图6 所示。
由于塔楼A1～A9 范围下部土层等效剪切波速小于150m/s，按不利原则考虑，该场地土类型为软弱土，判定该建筑场地为抗震不利地段，需采取有效工程措施。根据专家意见，采取以下加强措施:
( 1) 钻孔灌注桩进③－2淤泥质黏土层范围内的桩身箍筋全部加密。
( 2) 对筏板下5m 深度范围内采用桩径为500mm 的高压旋喷桩进行地基处理，桩间距为1. 0m，行列式布置。桩底进入③－2淤泥质黏土层下卧的④－2黏土层0. 5m，且最小桩长≥13. 0m( 桩长从筏板底起算) ，处理范围不小于筏板周边1. 0m。处理后复合地基承载力特征值不小于110kPa。
按此方法处理后，进行现场剪切波原位测试和地脉动观测，覆盖层20m 深度范围内的等效剪切波速可达到180m/s，大于150m/s，建筑场地类别可以划为Ⅲ类。该处理方法，经过多次专家论证及现场实测，证明是可行的。处理之后，整个场地均为Ⅲ类场地，特征周期取为0. 45s。
4 上部结构设计4. 1 主要设计参数
本工程结构设计基准期和设计使用年限均为50 年，建筑安全等级为一级，抗震设防类别为标准设防类( 丙类) 。建筑抗震设防烈度为6 度，设计地震基本加速度为0. 05g，设计地震分组为第一组。剪力墙的抗震等级: 地下2 层和地上5 层为二级，其余均为三级。结构计算模型的嵌固层设在盖下1 层( 标高－10. 000m) ，基础设计安全等级为一级，基础和桩基设计等级均为甲级。
4. 2 荷载取值
结构楼屋面恒载根据建筑面层做法取值。楼屋面活载标准值根据《建筑结构荷载规范》( GB50009—2012) ［2］( 简称荷载规范) 取值。风荷载根据荷载规范和《高层建筑混凝土结构技术规程》( JGJ 3—2010) ［3］( 简称高规) ，结构位移计算时采用50 年重现期风压0. 35kN/m2，结构承载力计算时采用50 年重现期风压的1. 1 倍，阻尼比采用0. 05。风荷载体型系数取为1. 54( 考虑风力相互干扰的群体效应，干扰系数取1. 1) ，均考虑结构横风向风振和扭转风振的影响。
业主委托湖南大学风洞实验室进行了风洞试验［4］。试验共进行24 个风向角的模型风压测试，试验模型如图7 所示。
风洞报告［4］提供了24 个风向角下楼层的等效静力风荷载值及各塔楼最不利风向角。对比风洞试验得到的最不利风向角下等效静力风荷载值与按荷载规范方法计算的风荷载标准值，最终结构设计采用荷载规范计算风荷载与风洞试验结果的包络值对构件进行强度设计及整体位移变形控制。
地震作用: 根据《建筑抗震设计规范》( GB50011—2010) ( 2016 年版) ［5］( 简称抗规) 和《中国
地震动参数区划图》( GB 18306—2015) ［6］( 简称地震动参数区划图) ，抗震设防烈度6 度( 0. 05g) ，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类，地震动参数如表1 所示。
根据表1 对比结果，设计时按地震动参数区划图取值，即小震地震影响系数最大值取0. 054 2，特征周期为0. 45s，阻尼比为0. 05; 大震地震影响系数最大值取0. 350 8，特征周期为0. 50s。
4. 3 超限情况
根据抗规和《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) ［7］相关规定，本项目除A1，A2 塔楼外，其余各塔楼均存在高度超限和扭转不规则、凹凸不规则两项平面不规则情况，如表2 所示。因此判定A3 ～ A11 塔楼为高度超限的超限高层建筑，需要对结构抗震设计进行专项论证。
针对上述超限项，根据高规并参考抗规，本工程结构抗震性能目标确定为D 级，具体构件抗震性能目标如表3 所示。
4. 4 结构计算分析
4. 4. 1 小震弹性分析
本工程采用YJK1. 8. 3. 0( 简称YJK) 进行结构整体计算、分析与设计; 采用ETABS 2016( V16. 1. 0) ( 简称ETABS) 进行对比计算、分析，复核YJK 计算与设计结果; 并采用YJK 进行小震弹性时程分析，作为振型分解反应谱法( CQC 法) 的计算补充。限于篇幅，仅列出典型塔楼( A11) 结构整体计算结果，如表4 所示。由表可知，两种不同软件计算的结构总质量、振型和周期基本一致，基底剪力、层间位移角和位移比基本一致，计算结果满足高规、抗规要求。在小震作用下，本工程可满足性能水准1 的要求。
作为CQC 法的计算补充，本工程选用5 条天然波( NO1 ～ NO5 波) 和2 条人工波( NO6，NO7波) 进行弹性时程分析。地震波时程主方向加速度峰值取22gal，次方向加速度峰值取18. 7gal，结构阻尼比取0. 05。7 条波的平均谱与规范谱的地震影响系数曲线在前3 阶周期的对应地震影响系数值相差均不超过20%，满足在统计意义上相符的要求，如图8 所示。典型塔楼( A11) 弹性时程分析和CQC 法计算的楼层剪力及层间位移角对比分别如图9、图10 所示。由图可知，两种方法计算结果基本吻合。对于时程分析统计的平均楼层剪力大于CQC 法的楼层剪力的情况，在进行构件承载力及配筋计算时，利用YJK 的楼层地震力调整系数对楼层剪力进行相应调整，但此调整不用于整体指标的计算。
4. 4. 2 中震和大震等效弹性分析
采用YJK 对结构进行中震、大震等效弹性分析设计，对满足一定条件( 如不屈服或弹性) 的结构构件进行承载力的设计验算。等效弹性设计参数如表5 所示。
根据设定的性能目标，中震作用下，对关键构件进行受剪承载力验算及正截面受弯承载力验算，对普通竖向构件进行抗剪截面验算，对耗能构件进行正截面承载力及抗剪截面验算。计算结果表明，关键构件均满足正截面不屈服、抗剪不屈服的性能目标; 普通竖向构件满足抗剪截面的要求; 少数耗能构件进入屈服; 典型塔楼( A11) 结构X 向地震作用下最大层间位移角为1 /833，Y 向地震作用下最大层间位移角为1 /543，层间位移角均小于小震弹性层间位移角限值1 /961 的3 倍，结构具有较好的刚度。由此可见，在中震作用下本工程可满足性能水准4的要求。
大震作用下，对所有构件进行正截面承载力及抗剪截面验算。计算结果表明，塔楼外圈关键构件出现正截面屈服，但满足抗剪截面的要求; 少量普通竖向构件( 短墙肢) 进入屈服，但满足抗剪截面的要求; 部分耗能构件出现破坏; 典型塔楼( A11) 结构X向地震作用下最大层间位移角为1 /314，Y 向地震作用下最大层间位移角为1 /234，层间位移角均满足1 /133 的限值要求，结构在大震下仍具有较好的抗侧刚度。由此可见，在大震作用下本工程可满足性能水准5 的要求。
典型塔楼( A11) 在小震弹性、中震不屈服和大震不屈服作用下的X 向及Y 向层间位移角对比见图11。
4. 4. 3 大震动力弹塑性时程分析
采用PEＲFOＲM-3D 软件对A3 ～ A11 塔楼进行动力弹塑性时程分析，考察结构在大震作用下的反应，评估其抗震性能。时程分析选用武汉地震工程研究院有限公司提供的5 组天然波( NO1 ～NO5 波) 和2 组人工波( NO6，NO7 波) ，地震峰值加速度为140gal，有效持时均大于5 倍结构第一自振周期。
以典型塔楼( A11) 为例，通过分析得出以下结果: 1) 梁构件出现较多的塑性铰，起到耗能作用，导致结构刚度退化，弹塑性时程分析的平均楼层剪力小于等效弹性分析的，如图12 所示; 2) 按抗规3. 10. 4 条条文说明换算的弹塑性最大层间位移角:X 向为1 /312，Y 向为1 /239，均小于限值1 /133 的要求，如图13 所示。
构件性能水准与屈服状态: 底部加强区剪力墙( 关键构件) 部分墙肢出现塑性，但未超过IO 水准，均满足大震不屈服的要求; 非底部加强区剪力墙( 普通竖向构件) 主体部分墙肢未超过IO 水准，满足大震不屈服的要求，出屋面构架墙肢超过IO 水准，进入屈服状态，但均未超过CP 水准，满足大震不倒的要求。基于转角及材料应变的剪力墙抗震性
图13 7 条波弹塑性时程分析的换算层间位移角对比
图14 剪力墙损伤与变形示意
能评价如图14 所示。框架柱( 普通竖向构件) 受弯均未屈服，剪切应力均小于0. 15fck( fck为混凝土轴心抗压强度标准值) ，满足正截面不屈服与抗剪截面的性能要求; 普通楼面梁和连梁( 耗能构件) 受弯性能部分超过LS 水准，已经屈服，但均未达到CP水准，少量楼面梁与连梁剪应力超过0. 15fck，出现受剪破坏，起到耗能效果。罕遇地震下动力弹塑性分析出铰顺序为: 连梁弯曲—框架梁弯曲—连梁剪切; 结构耗能以连梁为主，框架梁为辅，与设计意图相符。
结构薄弱区分析: 出屋面构架部分刚度较弱，且大震作用下鞭梢效应明显，因此该部位容易形成薄弱环节; 底部加强区局部短墙肢抗弯能力较差，容易形成薄弱区，需提高剪力墙配筋率，加强面内外抗震性能。大屋面支承构架剪力墙的梁构件，受到较大的剪力，出现剪压比不满足要求的情况，形成抗剪薄弱区，该部分梁需加大截面，并提高配箍率。结构薄弱区如图15 所示。
( 1) 所有塔楼底部6 层出现拉应力的角部墙肢按特一级抗震构造措施进行构造，墙肢水平和竖向分布筋最小配筋率取0. 4%，约束边缘构件纵向钢筋最小构造配筋率取1. 4%，配箍特征值增大20%。
( 2) 剪力墙底部加强区水平和竖向分布钢筋的最小配筋率按0. 3%进行设计; 约束边缘构件纵向最小配筋率按1. 2%进行设计，即底部加强区剪力墙抗震构造措施提高为一级。
6 结语本工程11 栋超高层住宅塔楼，根据超限情况，采用抗震性能设计方法，对不同部位构件指定合理的性能目标，并进行了大量的计算分析，同时适当加强抗震构造措施，确保本工程结构在小震、中震和大震作用下各项指标均满足规范要求，不同部位构件能够达到预期的抗震性能目标。本工程9 栋超限塔楼( A3 ～ A11) 已于2018 年8 月通过湖北省超限高层审查，现正处于施工阶段。
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注：本文转载自建筑结构《三金潭超限高层住宅结构设计》作者：李必雄， 侯国求， 池碧波，仅用于学习分享，如涉及侵权，请联系删除！
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