某高层公寓结构分析与设计

【摘要】某高层公寓楼平面选型较为复杂，局部楼层开设大洞口，属于平面不规则的建筑结构。为确保结构在地震作用下的安全性，结合抗震规范的要求，采用三水准、两阶段设计方法，对结构进行了弹性和弹塑性分析。分析结果表明：在地震作用下，结构具有较好的承载力和变形能力，能够满足小震不坏、中震可修、大震不倒的性能要求。

【关键词】平面不规则，抗震性能分析；弹塑性分析

1工程概况

本工程是一位于某市临海的高层公寓楼，结构形式为钢筋混凝土剪力墙结构。本公寓楼地下3层，地上37层，地面以上房屋高度99.8m。地下3层层高均为4.2m，地上1层3.6m，其余楼层分别为2.7m和2.8m，本工程的建筑效果图和剖面图如图1（a）和图1（b）所示。

该工程设计基准期为50年，结构安全等级按照二级考虑（γ0=1.0），工程抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，建筑场地类别为Ⅱ类，地震分组为第一组，场地特征周期取工程场地地震安全性评价报告的推荐值0.30s，此外，工程场地地震安全性评价报告显示：工程场地超越概率为63.5%、10%和2%的地震影响系数分别为0.08、0.23、0.43。100年重现期基本风压为W0=0.75KN/m2，地面粗糙度类别为A类。该工程的基础采用筏板基础，持力层为强风化花岗岩，地基承载力特征值为fak=450KPa。

（a） （b）

图1建筑效果图和剖面图

2结构设计

2.1结构不规则性与抗震性能目标

由于建筑平面和使用功能的要求，本工程需要在2～36层的楼板开设大洞口，造成楼板局部不连续。根据开设洞口的的位置，2～36层的结构平面可以分为三个标准层：标准层1、2、3（平面图如图2所示）。由图2可以看出标准层1和标准层2的楼板开洞面积较大，每层的开洞面积为楼层总面积的36%，超过规范的限值30%，楼板刚度突变，属于平面不规则结构[1]。除了楼板不连续外，本结构在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层的最大层间位移与平均层间位移的比值大于1.2，属于平面扭转不规则。

（a） （b）

（c）

图2结构标准层：（a）标准层1（b）标准层2（c）标准层3

鉴于本工程的不规则性，根据本工程的结构特点及与业主沟通的结果，对其进行了抗震性能化设计，结构的抗震总体性能目标确定为《建筑抗震设计规范》的性能要求3，而底部加强部位的剪力墙性能目标确定为性能要求2，参照《建筑抗震设计规范》[1]（GB50011-2010）和《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]（JGJ3-23010）明确了结构体系中主要构件的抗震性能。

2.2结构布置

本工程地上结构37层，建筑平面近似为“Y”形，长宽比为1.9，高宽比为2.9。考虑到建筑平面布置和使用功能的要求，主体结构采用剪力墙作为承受竖向和水平荷载的主要构件，楼盖采用现浇混凝土梁板。基于结构的不规则性，在设计中采用了若干加强措施：在不影响使用功能的前提下，每一开间的周边设置了足够的墙肢，使开间周围近似形成局部的筒体，以减小局部开设大洞的不利影响；加厚楼板，楼板配筋采用双层双向；结构角部墙肢通高时，墙肢按中震弹性结果配筋，并将约束边缘构件贯通到顶楼；控制竖向构件的轴压比，底部加强部位的轴压比限制为0.5，低于规范的限值0.6。

2.3弹性分析

考虑到本工程的平面较不规则，为避免单一分析软件结果的局限性，本工程在多遇地震作用下的弹性分析采用了SATWE和ETABS两种空间分析软件对结构进行了整体分析比较，以保证分析结果的可靠性。使用上述软件计算地震分析时均采用空间扭转耦联的振型分解反应谱法，计算振型数为18，地下1层顶为嵌固端。计算单向地震作用时考虑偶然偏心的影响，同时也进行了双向地震作用下的计算。

结果表明两种分析软件在结构的动力特性（自振周期等）、地震作用和结构位移等方面均比较接近。此外，结构自身的振动特征表明，第3振型以扭转为主，其周期和以平动为主的振型1的周期之比小于0.85，满足规范要求，说明结构具有较好的扭转刚度；在考虑偶然偏心影响的单向地震作用下的计算结果显示，结构同一楼层的最大弹性水平位移和层间位移与平均水平位移和层间位移的比值均在1.40以内，满足规范要求；两种软件的计算结果均表明累计的有效质量系数超过90%，说明选取的振型数满足规范要求。

鉴于本工程的复杂性，进行抗震计算时采用SATWE对结构进行了多遇地震下的弹性动力时程分析补充计算。根据建筑场地类别和设计地震分组选用了PKPM自带的两条地震波（其中一条为天然地震波，一条为人工合成地震波）和一条用户自定义的地震波，输入的加速度峰值按照《抗规》取为35cm/s2。

由数据，可得弹性时程分析具有以下结论：（a）由以上表明，每条时程曲线计算所得结构底部剪力均不小于CQC法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力平均值均不小于CQC法结果的80%，满足《建筑抗震设计规范》5.1.2要求。（b）规范反应谱计算得出的楼层剪力、位移角与弹性时程分析的包络值基本一致，在结构设计时，对规范反应谱得出的地震力乘以放大系数1.1对结构进行配筋；（c）动力时程分析结果得出的地震作用力、水平位移和层间位移沿高度分布较为均匀，未见明显的薄弱层。

3结论

本工程属于平面不规则的高层结构，针对结构特点，对结构的重要部位和薄弱部位采取了抗震加强措施，减小了不规则结构产生的不利影响，并在设计中采取了基于性能的抗震设计方法，对结构在多遇和罕遇地震作用下分别进行了弹性和弹塑性分析，结果表明：在多遇地震作用下，结构各主要指标均满足规范相关要求和预期的抗震性能要求；在罕遇地震作用下，结构具有较好的延性和承载力，结构构件的塑性铰出现顺序和分布也符合“强柱（墙）弱梁”、“强剪弱弯”的性能目标。

参考文献：

[1]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010

[2]JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010

[3]中国建筑科学研究院.PKPM多高层结构计算软件应用指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2010