胡海武
深圳墨泰建筑设计与咨询有限公司 /中外建工程设计与顾问有限公司深圳分公司
摘要：翡翠园项目（以单体4栋为例）结构为部分框支剪力墙结构，地下3层，地上29层，屋面结构高度90.3m；本项目存在扭转不规则、凹凸不规则、竖向构件不连续、多塔等超限情况。根据项目情况，设定性能目标为C级，进行了小震、中震、大震下的计算分析，并针对计算分析采取了相应的加强措施，使结构能满足整体性能目标要求。本文结合工程实例，对部分框支剪力墙不规则项超限结构设计进行分析与探讨，以供同仁参考。
关键词：抗震性能目标、部分框支剪力墙、结构抗震设计
一、工程概况
翡翠园项目（4栋）地下3层，地上29层，地面以上结构高度96.1m；根据建筑形式、使用功能和结构受力要求，采用框支剪力墙结构，地下室底板为上部结构的嵌固端。工程设计使用年限为 50 年， 安全等级二级， 结构在持久设计状况、短暂设计状况作用下重要性系数为1.0， 在地震设计状况下重要性系数为 1. 0; 建筑抗震设防类别为标准设防类; 建筑高度为 A 级;抗震设防烈度为 6 度， 设 计 基 本 地 震 加 速 度 为0. 05g， 设计地震分组为第一组; 建筑场地类别为Ⅱ类。根据《建筑结构荷载规范》的规定，按规范进行风荷载作用计算时，验算变形采用Wo=0.5 kN/㎡，承载力设计时按基本风压的1.1倍采用。地面粗糙度B类，结构体型系数取1.4。地基基础设计等级为甲级。
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二、结构体系及基础型式
标准楼层结构布置详图1，二层转换层结构布置详图2。主要结构构件截面尺寸详表1，混凝土强度等级如下：基础顶~4层墙柱砼为C50，四层以上墙柱砼强度等级往上逐渐减小至C30；地下室部分梁板砼等级为C35，二层框支层梁板砼等级为C50，标准层梁板砼等级为C30；钢筋等级为 HRB400。
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三、结构超限判别及性能目标
4栋根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，对规范涉及结构不规则性的条文进行了检查，见表2。结合本项目的结构特点及超限情况， 参照《高规》相关条文， 拟定结构抗震性能目标为 C 级， 各构件性能具体如表 3 所示。
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四、结构分析
针对上述抗震性能目标，本工程做有如下计算分析：1）选用YJK软件进行了常规的小震参与组合计算， 中震弹性、中震不屈服验算， 并进行了弹性时程补充分析; 2) 用 MIDAS /building 软件进行了小震参与组合的整体指标对比计算; 3) 用P3D软件进行静力弹塑性分析 4) 用 ETABS软件对弱连接处楼板及大底盘楼板进行应力分析计算，5) 采用ABAQUS 通过实体单元来模拟转换梁，采用其计算的构件内力来复核截面承载力，6）采用YJK软件对比小震作用下结构整体指标。
a)小震分析
1、小震作用下反应谱分析
根据规范要求， 本工程采用了两种不同力学模型的结构分析软件( YJK 软件和 MIDAS /building 软件) 进行了小震作用下结构的整体分析。主要计算结
果见表 4， 由表可见， 两种软件计算的分析结果是基本吻合的，且均满足规范的要求; 墙柱的轴压比和各构件的强度及变形也均满足规范要求，各构件均能达到多遇地震下的抗震性能目标。
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2、小震作用下弹性时程分析
选择5条特征周期在0.35s附近的天然波和两条人工波进行弹性时程分析，从表中可以看出，时程分析各条波与反应谱基底剪力之比的最小值：X向为0.67；Y向为0.65。时程分析各条波平均值与反应谱基底剪力之比：X向为0.81；Y向为0.82，均满足规范要求，且七条波基底剪力的平均值小于反应谱的相应值，说明反应谱的计算结果是偏于安全的。
表5 多遇地震弹性时程分析结果与振型分解反应谱计算基底剪力对比
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b)中震分析
采用YJK程序进行分析，对设防烈度地震作用下基底剪力进行对比
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经计算分析，在设防烈度地震作用下：
1、框支柱、框支梁满足中震弹性的要求。
2、底部加强区剪力墙满足抗剪弹性、抗弯不屈服的要求。
3、非底部加强区剪力墙抗弯满足中震不屈服、抗剪满足中震弹性的性能目标。
4、楼层的框架梁和连梁中震验算下，满足中震部分抗弯屈服、抗剪不屈服的性能目标。
5、设防烈度地震作用下各项设计控制指标均满足性能水准3的抗震性能目标。
c)大震分析
通过对结构输入三组地震波进行罕遇地震作用下非线性时程分析，并结合所设定的结构在罕遇地震作用下的抗震性能目标，可以得出如下结论：
结构整体抗震性能
(1) 位移：计算得到结构楼层质心处的最大层间塑性位移角为：X方向1/189（第14层）；Y方向1/228（第22层），均小于规范限值[1/120]的要求。
(2) 整体耗能水平：结构在罕遇地震作用下非弹性耗能明显，非弹性耗能略占地震总输入能量的26%左右；主要非弹性耗能构件为连梁和框架梁，连梁消耗了64%左右的非弹性耗能，框架梁消耗了35%左右的非弹性耗能，而剪力墙则为1%左右，其他构件不产生非弹性耗能，从能量角度说明了宏观损坏程度为“轻度损坏”，高于预期性能“中度损坏”。
构件性能水准
(1)框架梁：框架梁受弯，2 %左右的框架梁达到“轻度损坏”，其他框架梁 “无损坏”，框架梁高于预期受弯性能目标“中度损坏，部分比较严重损坏”。所有框架梁受剪均小于所控制的剪切应力0.15fck，满足规范的框架梁抗剪截面要求。
(2)连梁： 16%的连梁达到“轻度损坏”，连梁受弯高于预期性能目标“中度损坏，部分比较严重损坏”。所有框架梁受剪均小于所控制的剪切应力0.15fck，满足规范的连梁抗剪截面要求。
(3)剪力墙：所有剪力墙受弯“无损坏”。因此可知，剪力墙受弯高于预期目标“部分中度损坏”。所有剪力墙受剪均小于所控制的剪切应力0.15fck，满足规范的框架梁抗剪要求。
(4)框支框架：框支柱和框支梁受弯均 “无损坏”，高于预期性能目标“轻度损坏”。框支柱和框支梁剪应力均较小，满足受剪不屈服的要求。
综上所述：罕遇地震作用下各项控制指标均满足性能水准4的抗震性能目标。
d)楼板应力分析
本工程采用ETABS建立整体模型，对中震作用下楼板正应力和大震作用下的剪切应力进行了专项分析，为楼板配筋加强提供依据。
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由上述中震及大震工况楼板内力图可以看出，楼板大部分区域应力较小，应力较大区域主要集中在墙柱边部，应力集中造成：
（1）在中震作用下，大部分区域楼板拉应力一般在0.31~0.77MPa，连接楼板跨中拉应力最大为1.09MPa，均小于C30混凝土抗拉强度设计值1.29MPa，满足“中震弹性”的性能目标。
（2）大震作用下，大部分弱连接板区域剪应力小于3.01MPa，满足截面抗剪要求。
e)转换梁实体单元分析
设防烈度地震作用下分析结果
取设防烈度地震作用下最不利荷载组合：1.2恒荷载+0.6活荷载+1.3Y地震
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图5 混凝土S33应力云图
在设防地震作用下，混凝土最大主压应力为S11=13.3 MPa，S22=5.6MPa，S33=25.8 MPa。由应力云图可以看出，转换梁混凝土主压应力小于混凝土抗压强度标准值32.4 MPa(C50)。剪应力最大为6.0 Mpa，小于截面平均抗剪强度0.2fck=6.48MPa(C50)。
罕遇地震作用下分析结果
取罕遇地震作用下最不利荷载组合：1.0恒荷载+0.5活荷载+1.0Y向水平地震。
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图6 混凝土S33应力云图
在罕遇地震作用下，混凝土最大主压应力为S11=14.7 MPa，S22=4.4MPa，S33=19.1 MPa。由应力云图可以看出，转换梁混凝土主压应力小于混凝土抗压强度标准值32.4 MPa(C50)。剪应力最大为3.07Mpa，小于截面平均抗剪强度0.15fck=4.86MPa(C50)。
f)多塔分析对比
本项目3栋、4栋、5栋、6栋、7栋同负一层顶板共同组成一个多塔结构，按照《高规》第5.1.14条的要求，本章对多塔结构的整体模型进行振型分解反应谱分析，并与各单塔模型进行对比分析，对多塔效应进行评估。
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上表列举了多塔和单塔计算水平地震和风荷载工况下的裙房顶层剪力。结果表明，多塔和单塔计算结果有一定差别，总体上差别不大。
通过对比多塔和单塔的关键指标，可以得出：
塔楼通过负一层顶板相连，属于多塔结构，但各个塔楼振型不耦联，各塔楼保持了良好的独立性。
多塔模型与单塔模型的主要的结构性能指标吻合良好。
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五、超限加强措施及结论
1.在设防烈度地震作用下，底部加强区剪力墙、框支框架及薄弱处楼板均处于弹性状态，底部加强区局部小墙垛出现拉应力；非底部加强区剪力墙均满足受弯不屈服、受剪弹性；框架梁、连梁受弯不屈服、受剪不屈服，高于预定的抗震性能水准3（部分抗弯屈服、抗剪不屈服）的要求。
2.在罕遇地震作用下，层间弹塑性位移及层间位移角均满足规范限值要求，结构主要抗侧力构件没有发生中度损坏；可满足预定的抗震性能水准4的要求；
3.中震及大震作用下，楼板大部分区域应力较小，应力较大区域主要集中在弱连接区域，弱连接区域板厚取200mm厚，配筋率不少于0.25%双层双向；在中震作用下，连接楼板跨中拉应力均小于混凝土抗拉强度设计值，满足“中震弹性”的性能目标；大震作用下，大部分弱连接板区域剪应力小于3.01MPa，满足截面抗剪要求。在施工图设计时，加强楼电梯筒周边构造措施。
4.多塔结构，通过分析，各个塔楼振型不耦联，各塔楼保持了良好的独立性；塔楼配筋按照单塔模型与多塔模型包络结果配筋；大底盘顶板双层双向配筋，配筋率不低于0.25%；
5.偏心主要对转换梁的影响有：（1）转换梁上的剪力墙偏心在转换梁的横截面方向产生了弯矩，即转换梁的扭矩，在施工图设计过程中应加强抗扭构造配筋(抗扭腰筋间距不大于150mm)；（2）在转换梁与其上剪力墙连接部位有剪应力集中现象产生，在该部位节点设计时，应采取可行的构造措施消除应力集中的影响，施工图阶段将出现应力集中的剪力墙配筋按一级构造要求；
综上所述，本工程经采取以上措施后，可以达到《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）3.11.1条中C的抗震性能目标。该结构满足抗震性能目标设定的在指定地面运动下的各项抗震性能水准要求，是安全、可靠、合理且满足规范要求的。
参考文献：
[1]高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3-2010
[2]混凝土结构设计规范 GB 50010-2010（2015版）
[3]建筑抗震设计规范 GB50011-2010(2016版)
[4]《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》2015版