陈斌
上海徐汇规划建筑设计有限公司
摘要：以具体工程为例，介绍了装配式框架剪力墙项目。其中结构的抗震设计是重点内容，对项目的整体建设质量与安全有决定性影响，是人们关注的重点。对装配式超限结构的抗震设计进行分析，并对抗震超限结构调整优化方法进行论述。
关键词：公租房项目；平面不规则；抗震概念设计
引言：公租房工程是我国解决新就业职工等住房困难的一个产品。公共租赁住房不是归个人所有，而是由政府或公共机构所有，用低于市场价或者承租者承受起的价格，向新就业职工出租。其类似于住宅的使用特点，使得建筑进深不能太大，同时底层多为公共区域，建筑喜欢做成框架大空间结构，因此很容易形成单品框架或者单品框架+剪力墙的框架-剪结构体系。对此类项目当中的结构抗震概念设计，是结构地震防护安全性能保障的主要措施，对其进行研究优化对于公租房项目发展与质量强化有重要意义。
1 工程概况
本项目基地位于上海徐汇区漕河泾社区282d-01地块，占地面积为13725.7平方米。定位于集租赁住宅、社区商业设施、公共服务设施于一体的中高端智慧型社区。主要建设内容包括：二栋60米高层租赁住宅（1#楼,2#楼），在高层租赁住宅的一~二层局部还设置了社区商业设施及公共服务设施。本项目总建筑面积为57325.94平方米。公祖房的体型及外立面效果见图1。
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图1 公租房1#2#效果图
两栋楼1#楼和2#楼平面类似，结构体系和性能特点接近，下面具体介绍1#的基本情况。1#楼地下2层，地上18层，首层层高3.2m，其余楼层层高2.9m，总建筑高度52.450m。建筑平面不规则成L型，通过设置抗震缝将建筑分割为两个结构单元，A区单元框架为9.0mx8.0m，进深方向跨度9m（单品），两头分别出挑1.5m和1.3m；B区单元框架为8.1x7.2m，进深方向跨度8.1m（单品），两头分别出挑1.5m和1.3m。B单元的标准层结构布置见图2。
2 结构设计
2.1结构体系及布置
上海的抗震设防烈度为7度，基本的地震速度为0.10g，设计地震分组为第二组。建筑场地类别为IV类，设计特征周期值为0.9s。本工程抗震设防类别为标准设防类（丙类），考虑到地震作用较大，结合建筑物的使用特点，采用全落地框架-剪力墙结构体系，根据《建筑抗震设计规范》表6.1.2，剪力墙抗震等二级，框架抗震等级为三级。
本工程超限及特殊的内容为：1）平面凹凸不规则。尽管L形的建筑设置了抗震缝分成两个结构单元，但是由于转角处建筑功能斜向布置，无法设缝，B区单元还是形成了平面凸出，凸出尺寸为凸出方向总投影尺寸的40%。2）楼板局部不连续。由于楼梯间是按照进深方向布置的，此向为单品框架且两头为悬挑，导致有效宽度不足50%。3）扭转不规则。由于底层大开间的需求，除了楼梯间和转角区，其余区域很难布置剪力墙，刚心与形心偏心超过15%。4）单榀框架。虽然本工程为框架-剪力墙结构体系，属于二道设防，但是任然有一半左右的榀数为单榀框架，此处框架构件还是存在防倒塌性能薄弱。5）两个方向动力特性有差异。纵向为连续框架，多为窗户，能布置墙的地方较少；横向都是单跨，框架刚度较弱，主要靠设置剪力满足小震作用的位移刚度需求。6）结构采用装配整体式框架-现浇剪力墙结构，规定单体预制率不小于40%。
1#B区的标准层结构平面见图3。剪力墙厚度一般为300mm，与剪力墙相连的柱600x600；纯框架柱为底层为1000x800，逐层收至800x600；纵向框架梁400x700，横向框架梁300x800。楼板厚度底层嵌固层180mm，标准层130mm，楼梯间所在的一跨，除楼梯斜板及半平台外，均为150mm。墙柱混凝土标号从底层的C60逐步收至顶层的C30,梁板混凝土标号从C40收至C30。
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图2 1#B区标准层结构布置图
2.2 结构抗震性能目标
结构抗震性能目标应综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等各项因素选定。本工程抗震性能按照抗规及高规的规定，将抗震性能目标选为C~D之间。多遇地震的性能水准1；设防烈度的地震性能水准3，震后性能状况与规范“小震不坏、中震可修”的基本设防目标一致；大震性的能水准5，震后性能状况保证结构的损坏不危机生命，满足“大震不倒”的基本设防目标。
根据专家意见，最终确定具体结构构件的性能目标为: 剪力墙底部加强部位按中震不屈设计(抗剪弹性); 单品的框架柱按中震不屈设计。另外专家还提出了按照首层和地下一层嵌固两种模型做包络设计的要求。
2.3 结构小震弹性分析
计算嵌固端位置取地下室顶板处，地下室顶板为梁板体系，板厚、楼板开洞情况等均满足嵌固部位要求。
在多遇地震下的内力和变形分别采用了基于弹性反应谱CQC 法的两个不同力学模型的SATWE 和midas 软件进行分析，结构材料强度采用设计值，荷载和地震作用及风荷载计入分项系数，内力计算计入内力调整系数，构件承载力计入抗震承载力调整系数，活荷载组合值系数取0.7，周期折减系数取0.85，连梁刚度折减系数取0.60，阻尼比为0.05，计算振型数为30个。计算后发现两种软件计算结果基本一致，达到了相互校核的目的。这里仅给出SATWE 软件弹性分析的计算结果(表1)，可见本项目的扭转周期比、侧移刚度比、有效质量系数、剪重比、最大层间位移比、最大位移比、最大层间位移角等各项整体指标均能满足高规要求。
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2.4 结构弹性时程分析
补充多遇地震下弹性时程分析，校核振型分解反应谱法的计算结果。按照上海场地特征周期Tg = 0.9s，选取了两条天然波: TH1TG090波(主方向加速度峰值96.2cm /s2 ) 、TH3TG090波(主方向加速度峰值145.5cm /s2 )和一条人工波RH2TG090波(主方向加速度峰值100cm/s2 )，并将计算结果与振型分解反应谱计算结果进行对比，见图3。
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图3 规范谱与反应谱的对比图
由表2可知，弹性时程分析的结果与振型分解反应谱法计算结果基本吻合。每条时程曲线的基底剪力均大于振型分解反应谱法的总水平地震力的65%，三条曲线基底剪力平均值大于振型分解反应谱法的总水平地震力的80%，每条地震波输入计算不大于135%，平均不大于120%，符合抗震规范要求，但整体计算中全楼地震作用应乘以放大系数。
2.5 中震作用分析
结构的地震作用下的反应与地震作用大小息息相关，当地震作用较小时结构处于弹性阶段工作，地震过后结构恢复正常。当地震作用逐步增大时，结构总存在一处或几处最薄弱的构建率先达到屈服从而进入塑性阶段，对这些结构，在受力不增大的情况下变形将急剧增大，从而导致塑性内力重分布，甚至塑性变大过大导致结构有倒塌的风险。所以中震计算不仅能给与想加强的构件提供定量分析，同时可以找出结构的薄弱点，针对性的采取措施。
中震作用计算采用基于弹性反应谱CQC 法的YJK-A 软件按中震不屈服和中震弹性分别计算，计算时活荷载组合值系数取0. 5，周期折减系数取1. 0，连梁刚度折减系数取0. 5。中震不屈服计算不计入内力调整系数和抗震承载力调整系数，不计入荷载和地震作用分项系数，构件材料强度采用标准值。中震弹性计算不计入内力调整系数，计入抗震承载力调整系数，计入荷载和地震作用分项系数，构件材料强度采用设计值。中震作用下，竖向构件不先出现屈服，次要构件及耗能构件允许出现弯曲破坏，不应出现抗剪破坏。对于不满上述要求的构件，重新修改截面计算，加强配筋。计算下来柱和剪力墙的截面及配筋结果较小震计算均有所提高。
2.6 结构弹塑性时程分析
考虑到结构本身是的复杂超限高层，根据高规第 3.11.4条，采用弹塑性时程分析来评估整体结构在罕遇地震作用下的弹塑性变形性能、非线性耗能能力、抗倒塌性能等方面情况以及抗震性能化设计目标。采用YJK-EP 软件对整体结构进行弹塑性时程分析。选择两条罕遇地震作用下的天然波和一条人工波，依次选取结构 X，Y 向作为各地震波输入主向，各工况地震波峰值加速度按水平主向:水平次向 = 1: 0.85进行调整，结构初始阻尼比取 0.05,最后采取包络方法进行性能评估。
大震作用下结构位移，位移角，底部剪力见图4。由表可知，最大层间位移角小于规范限值( 1 /100) ; 大震弹塑性时程分析的基底剪力与小震作用下基底剪力比值大致为弹性大震与小震比值 237/63 = 3.76，介于3~5之间，表明结构整体既未发生过度的塑性开展，又通过塑性变形消耗了相当一部分的地震能量，达到了经济而有效的抗震效果。
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图4 大震下的结构位移，剪力，位移角
结构在X，Y 向的变形和楼层剪力曲线形状基本相似，结构变形曲线光滑、仅仅顶层构架层突变，楼剪力沿楼高平缓渐变、由下至上逐渐变小，因此即使大震作用下结构也未见有塑性变形和受力集中现象，无明显的软弱层和薄弱层。
连梁及部分框架梁较早、较多地出现了塑性铰，分布范围较大，个别达到严重损坏，实现了强柱弱梁以形成延性耗能机制的设定目标，顶部部分外框架柱进入塑性阶段，较多框架柱进入屈服阶段，并存在少量框架柱达到轻度破坏水平， 且底部加强区及楼梯周边框架柱不屈服; 绝大部分墙肢出现开裂，但仅有少量墙肢屈服。综上所述，结构进入弹塑性的程度与根据整体结构层间位移角和楼层剪力变化趋势推断出的结果基本一致，分析结果较合理。
3.关键构件的抗震措施及抗震性能分析
通过以上对结构整体抗震性能的计算与分析，根据本工程结构的特点，采取了以下针对性抗震措施:
1）优化结构布置。通过剪力墙的优化布置，尽量控制结构扭转效应，使两个方向的周期和位移接近; 通过调整结构在层高突变处的竖向构件尺寸收进，控制本层与上层侧向刚度及承载能力之比，避免出现结构薄弱层和软弱层。调整框架和剪力墙的倾覆力矩比例，尽量使得柱倾覆力矩在20%~50%之间，避免两个方向抗震性能差异过大。
2）提高部分框架梁、柱的抗震等级。单品框架柱抗震构造等级提高一级，楼梯间周围的框架抗震等级提高一级，首层嵌固以下与地库顶板高差错层处的剪力墙及框架柱抗震等级提高一级并箍筋加密。保证关键部位不要先出现破坏。
3）对于楼梯间形成的洞口，周边尽量用剪力墙包裹，两头建筑门窗洞口处加大连梁或框架的高度。洞口周边范围内加强楼板的水平刚度，板厚取150mm，并对楼板进行应力分析，计算结果见图5。
在小震作用下，考虑楼板处于弹性状态下不出现裂缝，楼板主拉应力不应超过混凝土的抗拉强度设计值；连接薄弱处楼板拉应力约为0.8N/mm2，未超过C30混凝土轴心抗拉强度 。在中震作用下，楼板处于弹性状态下出现局部裂缝，楼板主拉应力不应钢筋的抗拉强度设计值；由于楼板应力计算按线弹性计算，中震作用下的薄弱处楼板应力可按水平地震影响系数直接放大，即按照小震作用下应力放大3倍，为2.4N/mm2，要满足中震要求需配500mm2/m，即三级钢φ8@100双层双向拉通布置。
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（a）X向 （b）Y向
图5 小震作用下楼板应力计算结果
4）控制轴压比，提高延性。框架柱轴压比不超过 0.8。
5）通过罕遇地震下结构的分析计算采取相应措施。根据变形验算结果， 采取措施避免在罕遇地震下出现结构薄弱层; 根据塑性铰出现部位及出铰顺序的分析结果，加强结构关键部位的构造措施。
6）本工程采用装配式，原方案楼板采用叠合板，现浇部分厚度70mm，考虑到本项目楼板对于整体性的重要影响，改为钢架桁架楼承板，全截面现浇。外墙采用预制外墙，减小梁柱的预制数量；预制框架柱尽量避开底部受力较大区域，选择中间偏上楼层。
4. 结语
通过进行多遇地震下的弹性分析和动力时程分析，以及罕遇地震下的弹塑性动力时程分析，有针对性地提出了抗震措施。各方面的计算分析结果表明，结构达到了所制定的抗震性能目标，结构设计方案满足国家规范的要求，对于一般意义上的超限结构有着借鉴参考意义。
参考文献：
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