湖南某公寓结构设计

摘 要：文章介绍了湖南某公寓结构设计。该工程施工平面狭长，采用以下技术措施控制扭转：偏心调整质量和刚度中心；通过增加连梁高度以提高结构的抗扭刚度；适当削弱结构的抗侧刚度。有些剪力墙连梁采用双连梁设计解决超筋问题。此外，描述了结构体系认定，抗震加固措施等关键问题。

关键词：超高层建筑；框-剪体系；扭转控制；双连梁

1工程概况

湖南某建筑由多栋高层及超高层公寓组成。其中公寓 C栋 为 139.5m 高、地上 42 层的公寓，结构体系为框架-剪力墙，为B级高度超限高层建筑。公寓、裙房及大地下室车库部分地下3层，公寓建筑与裙房在地面以上设置防震缝，形成相互独立的抗震结构单元，所有单体在首层及地下层连为整体。工程结构设计采用的设计基准期为50年，设计使用年限为50年。建筑结构安全等级为二级，地基基础设计等级为甲级。

2结构选型

2.1地基基础

建筑基础为桩筏基础，采用直径800mm的钻孔灌注桩，桩基持力层选用层⑨2（圆砾层）。桩长38m，桩身混凝土强度等级 C40，采用桩端后注浆技术，注浆后桩承载力提高25%～30%，单桩抗压承载力特征值5050kN，控制地基土的承载力接近桩身混凝土的强度。建筑下基础底板厚度2.7m，桩基计算最大沉降量130mm。裙房部分基础为钻孔灌注桩 + 独立承台基础，独立承台1300mm厚，承台间设900×1300的基础梁，裙房底板800mm厚。地下室面积较大，平面尺寸约180m×200m。采取如下措施避免温度裂缝： 按规范要求设置沉降后浇带、温度后浇带； 整个地下室均采用补偿收缩混凝土； 施工过程中采取有效的施工养护措施；地下室各层楼板考虑温度应力并计算配筋等。

2.2结构体系

结构布置上均利用建筑物每个单元的楼梯电梯井道布置剪力墙，在其他位置布置框架柱，共同形成钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系。剪力墙为主要的抗侧力构件，框架梁柱则组成了第二道抗侧力防线。建筑结构高度139. 5m，超过框-剪体系A级高度最大适用高度130m，在B级高度160m的限值以内，属于B级高度超限高层。建筑的两端加设剪力墙，可改善结构的抗扭转性能，同时加强结构的侧向刚度。

C栋建筑主要墙体截面在公寓标准层处为250～350mm厚，首层～层6楼面因层高较高，刚度相对较弱，墙体厚度适当加厚为350～500mm。框架柱随高度增加截面逐渐减小。楼板厚度屋面采用120mm，公寓标准层110mm（局部大开间适当加厚，剪力墙芯筒内为140mm），裙房层为120厚。首层楼板200厚，以满足嵌固层的构造要求。

核心筒周边剪力墙墙厚从下到上为500mm～300mm，筒内剪力墙厚度为400mm、200mm。建筑C栋的墙柱在地上层6楼面以下采用 C60级混凝土； 在层6楼面～层36楼面间采用 C50级混凝土；在层36以上采用 C40级混凝土。梁板采用 C35级混凝土。

3结构计算分析

3.1反应谱分析

基本风压=0.50kN/m2（100年一遇），地面粗糙度为B类。抗震设防烈度6度，建筑抗震设防类别为丙类，设计基本地震加速度值为0.05g，场地类别为 III 类，场地特征周期值=0.45s，设计地震分组为第一组。结构阻尼比取0.05。框架及剪力墙的抗震等级均为二级。

结构分析采用 SATWE 和 ETABS 两种不同力学模型的三维空间分析软件进行整体计算。采用弹性方法计算结构在荷载和多遇地震作用下内力和位移，并考虑平扭耦连和效应，表1是建筑的主要分析结果。结构前3阶振型见图1，结构前两阶振型分别为沿X和沿Y方向的平动，第3阶振型为扭转振型，结构第1扭转周期与第1平动周期之比=0.75

图 1 结构前 3 阶振型

结构 X 向在地震作用下的位移大于风荷载作用下的位移，地震作用最大层间位移角为1/1705；Y 向风荷载作用下的位移大于地震作用下的位移，风荷载作用下最大层间位移角为1/1017。结构在地震荷载、风荷载作用下，结构层间位移角均满足规范1/800要求。

考虑±5%偶然偏心的结构最大层间位移（或最大水平位移）与平均层间位移（或平均位移）之比最大值为1.34，超过1.2但小于1.4。结构分析时考虑效应，结构顶部风荷载作用下舒适度满足规范要求。

3.2弹性时程分析

工程弹性动力时程分析时采用 SATWE 程序内置的设计特征周期值为0.45s 的人工地震波RH1TG045和实测地震波 TH2TG045、TH3TG045进行结构分析。地震波按照双向输入，其加速度最大值按1（主方向）：0.85（次方向）的比例调整。弹性时程计算结果与振型分解反应谱法计算结果对比见表2，从表2可知： 三条地震波计算下，建筑底部剪力均大于 CQC 法的65%，底部剪力平均值大于CQC 法的80% ，满足规范要求，弹性时程计算结果与振型分解反应谱法计算结果基本一致。

4结构设计关键问题

4.1结构体系的认定

建筑平面上布置三个由电梯、楼梯间组成的竖向交通单元，结构上利用竖向交通单元设置剪力墙，从平面上看结构体系很像框架-核心筒体系，但仔细分析结构的受力机理后将本工程定性为框-剪体系。框架-核心筒结构与框-剪结构最大区别是：框架-核心筒结构的筒体在水平力作用下必须保证空间整体截面工作，即筒体截面基本上是符合平截面变化规律； 框-剪结构的剪力墙虽然协同工作，但由于墙体较为分散，多数情况下不是平截面变化的。

《高规》针对框架-核心筒的特点提出： 框架-核心筒的设计在计算和设计上除了按框-剪结构要求外，核心筒宜贯通建筑物全高，宽度不宜小于筒体总高的1/12，应有良好的整体性，墙肢宜均匀、对称布置，筒体角部附近不宜开洞，当不可避免时，筒角内壁至洞口的距离不应小于500mm和开洞墙的截面厚度等。

根据《高规》中的条文及其条文理解，若剪力墙墙体开洞多、墙肢距离大或连梁较弱而导致混凝土筒体在水平力作用下失去平截面整体工作性能时，不符合框架-核心筒的本质特征，应按剪力墙集中在平面中部的框-剪结构考虑。对于本工程，从SATWE 给出的结构空间振动图和含剪力墙构件主要剖面振动图上判断，核心筒在 Y 向荷载作用下符合按平截面假定进行空间整体运动的特点； 在 X 向水平荷载作用下，3个距离较远的独立筒体变形差异非常明显，类似剪力墙分散布置的框-剪体系的变形特征，无法像框架-核心筒体系中的核心筒结构那样做为一个整体共同变形和抵抗水平荷载，不符合筒体结构空间整体受力的特点。因此，根据结构在 X 向水平荷载作用下的力学性能判定该结构体系为框架-剪力墙结构。

4.2抗震加强措施

建筑存在结构高度超限（B 级高度）以及一项规则性超限（扭转位移比），针对结构超限设计中采取了以下措施：

（1）建立双重抗震防线。剪力墙的连梁、剪力墙墙肢为抗震第一道防线，框架为第二道防线，框架承担的地震剪力应严格按照规范要求进行调整；

（2）按规范B级高度设定结构构件设计的抗震等级，框架和剪力墙和抗震等级均为二级。剪力墙应按规范要求设置约束边缘构件和构造边缘构件；

（3）针对建筑层高的变化调整结构抗侧刚度，调整建筑中剪力墙的墙厚和混凝土强度等级，并在墙体中设置调整刚度所需要的结构洞，以使结构刚度尽量均匀，避免出现薄弱层。

（4）框-剪体系中剪力墙的设计借鉴规范框架-核心筒体系的设计要求予以加强，即剪力墙筒体的角部除了底部加强区以外，底部加强区以上高度轴压比大于0.4的高度范围内设置约束边缘构件；

（5）各特别是楼面大梁搁置在连梁或楼梯间较薄墙体上时，相应楼层处墙中设置暗梁。剪力墙芯筒内楼板电算时按弹性楼板分析，加厚为140mm并采用双层配筋。加强顶部2～3层及屋面突出物中竖向构件的配筋量，屋面板加厚至120mm，并配置双层双向钢筋。

4.3结构嵌固的处理

工程地面以上有多栋建筑，为了避免形成多塔结构，嵌固层设在±0.000层。同时，按照国家、当地规范以及抗震超限审查专家组的要求，地下层1剪切刚度大于首层剪切刚度的2倍。设计中将建筑区域地下室部分墙体截面加厚为800mm。为了确保能够在该楼层提供足够的水平约束，对±0.000层楼板作了全面加厚处理，楼板均采用200厚现浇混凝土楼板，混凝土强度等级 C35，采用双层双向配筋，保证配筋率不小于为0.3%，对楼板开洞处四周另作特别加强。建筑地下层1的抗震等级按底部加强区的等级采用，地下室柱截面纵向钢筋面积除应满足计算要求外，不少于地上层1相应纵向钢筋面积的1.1倍。4.4结构扭转的控制

《高规》主要通过位移比和周期比来控制结构扭转反应，对于B级高度的建筑，结构每个楼层的最大位移和最大层间位移与该楼层平均位移和平均层间位移的比值不宜大于1.2不应大于1.4；结构以扭转为主的第1周期与以平动为主的第1周期之比不应大于0.85。本工程由于建筑平面狭长，长宽比3.7，结构本身的抗扭刚度较小，上述指标较难控制。产生扭转主要因为质量中心与刚度中心偏差太大或结构的抗扭刚度相对较小这两个原因，因此在本工程结构设计中的控制扭转的措施也基本以减小刚度中心的偏心率、调整结构的抗扭刚度和抗侧刚度这两点为基本原则。

对于质心与刚心偏差的控制，工程结构设计在抗侧力构件的布置中，遵循均匀、分散、对称、周边的原则，合理布置结构的抗侧力构件，控制抗侧力构件的刚度，以控制刚心和质心的偏差。

对于结构抗扭刚度相对较小，是指抗扭刚度与结构的抗侧刚度相比较而言，有时结构的抗侧刚度过大，即使结构具有一定的抗扭刚度，也会出现周期比不符合规范要求的现象。工程采取的主要技术措施主要有两大类： 一方面是提高结构的抗扭刚度，主要方法是在建筑物尽可能布置抗侧力结构，加大结构周边抗侧力构件的刚度，加大周边框架梁的截面，兼顾到建筑立面要求和采光要求，利用周边窗台位置将连梁上翻以加高周边部位的连梁； 另一方面，在结构水平位移和层间位移角满足规范要求的前提下，适当减少结构中部剪力墙的布置，适当减小结构的抗侧刚度，从而加大结构的平动振型的周期，周期比也得以减小。通过两个方法的综合运用，在水平位移满足规范要求的前提下，最终取得了一个较好的抗扭刚度和抗侧刚度的适当比例。

4.5超短梁的处理

建筑平面某些位置结构柱和剪力墙之间距离很近（图2），在竖向荷载作用下柱轴压比较大，竖向变形较大，而剪力墙轴压比较小，连接柱和剪力墙的混凝土梁跨度很小而梁两端竖向变形差异较大，在恒活载作用下产生了较大的内力； 同时，在地震荷载和风荷载作用下此处混凝土梁刚度较大，相应的弯矩和剪力均很大，因此此处混凝土梁超筋现象极为严重。设计中按弱连梁的原则来处理解决这种超筋现象。

图 2 超短梁的处理

适当增大此处混凝土梁的跨高比，在程序中指定为连梁，进行连梁刚度折减，并将部分梁设计为双连梁（即设置水平缝，见图3，4），从而减小梁的刚度和内力，降低其实际的弯矩和剪力设计值。一个截面高度为 h 的梁变为两根截面高度为 h/2的梁，其抗弯刚度变为1/4，梁端单位转角引起的弯矩和剪力也变为1/4，连梁内力迅速减小，但截面抗剪承载力基本不变。按照这种方案处理的连梁受力性能较好，一定程度上避免了连梁超筋的问题，容易实现弯曲破坏，提高结构延性和耗能能力。在 SATWE 程序中，根据模型连梁与实际连梁抗弯刚度和抗剪刚度相等的原则，采用双倍厚度框架梁模拟双连梁，即在拟设置双连梁的位置设置双倍墙厚、单肢连梁高度的框架梁，计算得出的连梁配筋值根据设置的连梁数量平均分摊到各连梁进行配筋。连梁跨度很小，框中所受的竖向荷载也很小，理论上采用该模型与实际受力情况应是一致的。极个别连梁采用双连梁的方式后仍然出现抗剪超筋，在这些双连梁中加设钢骨（图5），采用型钢混凝土梁的设计要求进行复核设计。

图 3 连梁设为双连梁

图 4 双连梁的简化模型

图 5 型钢混凝土连梁

和超短连梁相连的柱要按剪力墙暗柱的要求进行复核设计，如轴压比、配筋等均需满足剪力墙暗柱的构造要求。

5 结论

综上所述，选择合理的结构体系、设定合理的抗震加强措施、对结构的关键问题进行细致分析研究，可以保证超限高层的安全可行、经济合理。结构体系的认定应结合结构的受力机理进行分析才能得到准确的结果。通过调整质量中心与刚度中心的偏心率，加大结构周边抗侧力构件的刚度同时适当减少结构中部抗侧力构件的刚度，可以有效控制结构的扭转反应。增大连梁跨高比并设置双连梁可降低连梁刚度，提高结构延性和耗能能力，解决短连梁超筋问题。

参考文献

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