深圳市华阳国际工程设计股份有限公司 518048
摘要：深圳某高层住宅为部分框支剪力墙结构体系，结构主体高度148.50m，属于高度超限的特别不规则高层建筑工程。简要介绍了结构体系、超限情况及抗震性能目标。并采用YJK、ETABS、SAUSAGE等软件，对结构进行小震反应谱分析、小震弹性时程分析、中震反应谱分析和大震弹塑性分析。并对结构的转换层及楼板弱连接部位进行复核。分析结果表明，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。
关键词：超限高层；抗震性能设计；弹塑性分析；转换层；楼板弱连接
1 工程概况
本工程总建筑面积106817平方米，地下4层，地上部分设有3栋塔楼，彼此独立，无大面积裙房连系，其中2号楼为超高层住宅塔楼，地上48层，地下4层，在15层和32层设置避难层，塔楼高度148.50m。
结构设计使用年限为50年，结构安全等级为二级。抗震设防类别为丙类，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，抗震设防烈度为7度（0.10g），特征周期为0.35s。基本风压为0.75kN/m2（承载力计算取0.825 kN/m2），地面粗糙度为D类。
2 结构体系与超限情况
2.1 结构体系
由于建筑的住宅属性，塔楼在六层楼面设置转换层，采用部分框支剪力墙结构体系。塔楼平面为L形，标准层平面布置示意见图1。底部加强区的剪力墙厚度200～1000mm，非底部加强区的剪力墙厚度200～500mm，框架（支）柱尺寸（400～2200mm）x（400～2200mm），框支梁尺寸（800～1500mm）x2000mm，框架梁尺寸（200～800mm）x（400～2000mm）。墙柱混凝土强度等级自下而上从C60渐变到C30。
2.2 超限情况
根据《高规》JGJ3-2010[1]及《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》[2]判定，该结构存在以下超限项次：（1）7度设防烈度下B级高度部分框支剪力墙建筑的最大适用高度为120m，本栋结构高度148.50m，超B级高度23.75%；（2）结构X向位移比大于1.2，不大于1.4；Y向位移比大于1.4，小于1.6，属于扭转偏大；（3）标准层开洞面积约为总面积的7%，小于30%，开洞后Y向楼板有效宽度为2.000+1.595=3.595m，小于5m，因此塔楼存在楼板不连续；（4）平面布置中在Y方向凹凸处两侧尺寸投影大于该方向平面总尺寸的30%，因此塔楼存在凹凸不规则；（5）在6
层楼面设置转换层，因此存在构件间断；（6）在二～四层存在局部穿层柱，因此存在局部不规则。
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图1 标准层平面布置示意图
2.3 抗震性能目标
综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构本身特点等因素，根据《高规》JGJ3-2010[1]对抗震性能目标的划分，结构抗震性能目标定为C级。针对不同的抗震性能水准对应的结构构件抗震性能目标，设计时的具体控制指标如表1：
结构的抗震性能目标 表1
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3 结构计算分析
3.1 多遇地震及风作用下的弹性分析
整体结构计算模型采用振型分解反应谱法（CQC法）进行多遇地震及风作用下的弹性分析，分别用了YJK和ETABS两种不同内核的有限元软件对模型进行整体计算。模型考虑了X向和Y向的双向地震作用及偶然偏心的影响。两种分析软件主要计算结果对比见表2。由YJK计算得到的结构整体抗倾覆验算见表3。
结构主要计算指标对比 表2
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结构整体抗倾覆验算结果 表3
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表2和表3的结果表明：
（1）YJK和ETABS两种软件分析的周期、总荷载、基底总剪力、基底总弯矩、最大层间位移角等指标都较为吻合，各指标具有一定的规律性，说明分析模型准确，符合工程经验及力学概念所做的判断。
（2）扭转周期与平动周期之比小于0.85，结构具有合适的抗扭刚度；
（3）结构最大层间位移角为1/839，满足规范1/800的限值要求；
（4）整体抗倾覆满足规范要求。
3.2 多遇地震弹性时程分析
根据《高规》JGJ3-2010[1]第4.3.4条规定，本结构应采用弹性时程分析方法进行多遇地震下的补充计算。计算分析时选用五条天然波及两条人工模拟的加速度时程曲线。采用主、次波的方式考虑双向地震作用。将地震加速度峰值调整为35cm/s2，地震波振型阻尼比ξ为0.05，地震波的时间间距△t为0.02s。
弹性时程分析下计算的基底剪力及位移角如表4。从表4可以看出，每条时程曲线计算所得基底剪力与反应谱法结果的比值在0.84～1.02之间，均大于0.65；七条时程曲线计算所得基底剪力的平均值与振型分解反应谱计算结果的比值在0.94～0.95，均大于0.8。因此，弹性时程分析结果满足《高规》JGJ3-2010第4.3.5条的规定。弹性时程分析所得的层间位移角结果，由于塔楼的平面形式为L型，导致X和Y向楼层层间位移角差别较大，但各工况均满足规范[1/800]的限值要求。在结构内力及配筋计算时，取弹性时程分析结算结果与振型分解反应谱法结算结果的包络值进行设计。
地震时程工况下的基底剪力及位移角 表4
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注：RG表示人工波，TR表示天然波。
3.3 设防地震作用下的抗震性能验算
根据设防烈度地震作用下的抗震性能目标的要求，对结构进行中震分析，以判别结构构件在中震作用下的抗震性能。采用ETABS和YJK程序进行分析，对剪力墙、框支柱和框架柱、连梁、框支梁和框架梁分别进行验算，结果表明，在设防烈度地震作用下，各项设计控制指标经调整后均能满足性能水准3的抗震性能目标。对个别剪力偏大的连梁，适当设置对角斜筋或交叉暗撑等。
3.4 罕遇地震动力弹塑性分析
本工程塔楼存在楼板不连续和转换层等不利因素，应进行罕遇地震动力弹塑性分析。本次计算采用广州建研数力研发的SAUSAGE软件进行结构的动力弹塑性分析。选取三组大震地震记录（两组天然波，一组人工波）分析，地震波时间间隔为0.02s，持续时间为30s，地震动峰值加速度为220cm/s2。每组地震动均按水平双向地面加速度时程的方式施加到模型。地震动水平双向输入时，主次方向分别按100%和85%幅值施加。
表5为不同地震波作用下结构的层间位移角，从表中可以看出，各地震波作用下层间位移角均满足1/120的限值。
不同地震波作用下结构的层间位移角 表5
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对剪力墙、连梁、框架柱、框支柱、框架梁、框支梁、楼板进行损伤分析，分析结果表明，主体结构剪力墙混凝土受压损坏主要集中在连梁，少数框架梁出现受压损伤，钢筋部分屈服，其余构件均未出现明显损伤，钢筋未屈服。图2为剪力墙在罕遇地震作用下受压损伤云图，可以看出，连梁位置出现了明显损伤。
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图2 剪力墙在罕遇地震作用下受压损伤云图
综上所述，在罕遇地震作用下，该结构具有较好的抗震性能，能够满足预定的性能水准4的抗震性能目标。
4 结构性能化设计
4.1 转换分析
本结构在上部楼层部分剪力墙不直接落地，在第5层进行转换（第6层楼面），采用框支梁、柱作为转换构件。
转换层上部和下部楼层的侧向刚度比见表6，可以看出，结构的侧向刚度比满足规范的相关规定。
楼层侧向刚度比 表6
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框支柱作为结构转换的重要构件，需达到中震弹性的性能目标。对框支柱正截面进行验算。由于篇幅所限，仅列出一个具有代表性的框支柱承载力曲线图，见图3。可以看出，框支柱承载力满足要求。
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图3 框支柱正截面承载力曲线图
结构转换层受力复杂，故采用ABAQUS软件对转换层的局部进行实体有限元分析。
转换结构的应力云图如图4所示，去掉应力集中的个别单元，转换梁、转换柱截面最大压应力为26.1MPa，小于混凝土轴心抗压强度设计值38.5MPa；梁上剪力墙最大压应力为33.6MPa，小于混凝土轴心抗压强度设计值38.5MPa，均满足设计要求。
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图4 转换层及上层Mises应力云图
4.2 楼板弱连接承载力分析
结构典型平面的弱连接验算截面见图5虚线处（截面1）。①
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图5 弱连接楼板验算截面示意
参考美国规范（IBC-2000）对楼板抗剪承载力的要求，楼板抗剪承载力应满足下式要求：
Fp=0.2IESDCwp+Vpx （1）
式中，IE——结构重要性系数，本工程取1.0；SDC——设防烈度下设计反应谱加速度影响系数最大值，按我国规范取0.23；wp——楼板及其相连构件的重量，按相应楼层重量取值；Vpx——通过楼板传递的层间剪力。
表7给出了中震作用时，弱连接区域板带的剪力设计值Vp与楼板抗剪承载力验算，结果表明弱连接板带的抗剪承载力能够满足要求。
弱连接楼盖抗剪承载力验算 表7
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5 结论
本工程2号楼属于高度超限的特别不规则高层建筑工程，高度超B级高度23.75%，采用抗震性能设计，对结构进行小震、中震及大震分析。并且对结构的转换层和弱连接处进行了分析。通过上述计算与分析，表明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［S］．北京：中国建筑工业出版社，2011．
[2]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［Z］．北京：中华人民共和国住房和乡建设部，2015．