1、对住宅结构设计分析摘要：本文结合工程实例，从概念设计入手，在抗震设计中，采用多种程序对结构进行了弹性、弹塑性计算分析，对关键和重要构件作了适当加强，以保证结构具有充足的抗震能力。 关键词：剪力墙复杂结构弹性分析弹塑性分析抗震 中图分类号： TU318 文献标识码： A 文章编号： 1 工程概况 项目是一个双单元高层住宅楼（东西部 38 层，29 层平面尺寸75.90m 的20.40 米住房高度 125.75m 的）的。设置 3 层地下室，车库和设备建筑，地下 3 层高 3.7 m，地下 2 层，高 3.9m，地下两层高 4.6 m，地下室深度 12.0m。本项目结构设计使用年限为 50 年，建
2、筑结构安全等级为二级; 抗震设防烈度为 7 度、类场地，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为 010g，特征周期 035s，抗震设防分类为丙类。 2 结构布置及材料 2 1 结构体系 首层为架空层，2 层以上均为住宅用途，首层除电梯间核心筒墙及东西向外端墙落地外，上部剪力墙竖向构件需在二层转换。塔楼于 820层、2729 层设置连接层，结构类型为钢筋混凝土部分框支剪力墙结构( 连体) ，梁式转换发生在二层楼面。 2 2 主要剪力墙厚度表 1 注: 电梯井道剪力墙厚度均为 200。 2 3 材料强度( 表 2) 塔楼混凝土强度等级 表 2 24 基础设计 根据地质勘探资料，经技术和经济对
3、比优化，本工程基础由人工挖孔桩( 塔楼部分) + 扩展基础( 地下室部分) + 抗拔锚杆组成。人工挖孔桩的持力层为微风化泥质粉砂岩。扩展基础持力层为全风化粉砂质泥岩。抗拔抗浮锚杆锚入中风化或微风化岩中。 地下室采用加腋梁板结构。 3 抗震设计 31 结构超限情况 参照“抗规” 、 “高规”和“省补充规定”有关规定，该栋超限情况: 超 B 级高度钢筋混凝土高层建筑 ( 连体) ，存在扭转不规则，竖向不规则，抗侧力构件不连续等不规则情况，属体型特别不规则。 32 结构关键抗侧力构件抗震性能目标 针对工程结构的特点和超限内容，结构各关键部位性能目标如下表3。 结构关键构件抗震性能目标 表 3 33
4、关键部位设计 由于首层架空层以及建筑空间要求，除核心筒落地外，上部剪力墙在二层楼面设置梁式转换。转换梁按特一级进行抗震设计，梁高控制2200mm 以内，为保证构件在大震下足够的承载能力，转换梁设计为钢骨混凝土梁。为提高框支柱延性及保证节点的刚性连接，框支柱采用钢骨混凝土柱。控制转换层上部与下部结构的剪切刚度比小于 2。控制转换层上部与下部结构的等效抗侧刚度比 e 接近 10，不大于 1.3，计算指定为薄弱层( 地震作用引起的结构截面设计内力另乘以 1.15 增大系数) 。 加强转换层及其上一层楼板的厚度及配筋，除楼板拉应力较大的区域按计算配筋外，板每层每方向的配筋率不小于 03%，以有效传递因
5、竖向构件不连续产生的水平力。连接层设置加强楼层( 78 层、2021 层、2630 层) 。结构构件按特一级进行抗震设计。7、8、20、21、2729 层板厚 h=150mm。为保证 30 层以上高塔楼的地震力能有效传递到下面楼层， 30 层连体部位及相邻跨板厚 h=200mm 其余板厚 h =150mm，除楼板拉应力较大的区域按计算配筋外，板每层每方向的配筋率不小于 0.3%。 连接体相邻部位抗震等级定为特一级，连接体相邻部位约束边缘构件内设置型钢柱、约束边缘构件竖筋最小配筋率为 14% ，体积配箍率不小于 2.3% ，墙身水平和竖向分布筋配筋底部加强部位最小配筋率0.50% ; 连接层连体
6、部位纵向框架梁采用钢骨混凝土构件，保证节点的刚性连接。 30 层以上为立面收进部位抗震等级定为特一级，另考虑鞭梢效应影响，地震作用另乘以 1020 增大系数。 4 结构计算分析 41 整体计算 选用中国建筑科学研究院编制的 SATWE 软件( 简化墙元模型，2008 版) 和美国 CSI 公司的 ETABS 软件( 细分墙元模型，9.20 中国规范版) 。结构计算考虑偶然偏心地震作用，双向地震作用，扭转耦联及施工模拟。计算中分别按照“抗规”3.6.3 条和“高规”541 条验算结构重力附加弯矩和刚重比，整体计算时计入重力二阶效应影响，按地震力作用最大值方向角度( 15) 进行计算。 4.2 弹
7、性时程分析 根据抗规 512 条表 3121 规定，采用 SATWE 程序对各栋进行了常遇地震下的弹性时程分析。按地震选波三要素( 频谱特性，有效峰值和持续时间) ，选取 II 类场地上两组实际强震记录 TH1TG040 波和 TH4TG040 波，以及一组人工模拟的场地波 RGB1 波( 地震峰值加速度35gal，特征周期 040s) 进行弹性时程分析，并对分析结果进行放大调整，以确保平均底部剪力不小于振型分解反应谱法结果的 80%，每条地震波底部剪力不小于反应谱法结果的 65%。 由图 1 可见，每条曲线计算所得的结构底部剪力均大于 CQC 法求得的底部剪力的 65%，时程曲线计算所得的结
8、构底部剪力的平均值大于 CQC 法求得的 80%，满足规范要求。 整体计算结果 表 4 图 1 弹性时程分析的楼层剪力 4.3 楼板有限元分析 在 ETABS 计算中利用壳单元模拟转换层的楼板，不考虑楼板的刚度折减，进行小震组合下的楼板应力分析。转换层板厚 200mm 分析。按14150 双层双向配筋，满足转换层楼板中震弹性要求，对局部薄弱部位采取加大板厚及附加钢筋做法。 顶部连体部位( 2730 层) 楼板的受力情况，多遇地震下楼板平均拉应力小于混凝土楼板抗拉强度标准 201MPa，可满足正常使用功能。但大震下 X 向平均拉应力 2730 层平均应力为 3. 7MPa。连接区域 X 向需配置
9、 14125，Y 向 14150。满足楼板在大震作用下不屈服。 44 中震弹性验算 4.41 底部加强部位剪力墙中震不屈服验算一层落地墙体验算结果表明，首层架空层竖向构件在中震作用下，组合效应均小于按强度设计值计算的抗震承载力，说明竖向构件构件仍处于弹性工作状态。 442 框支框架中震弹性验算 中震弹性验算目的是考察框支框架在中震下是否满足性能设计目标。分析时荷载分项系数取值同小震弹性，材料强度取设计值，不考虑内力增大系数。采用 SATWE 软件进行整体计算，计算结果表明，框支框架均处于弹性状态。 4 5 动力弹塑性时程分析 动力弹塑性时程分析采用大型通用有限元软件 ABAQUS6.7。选取的
10、人工波和天然波加速度谱与规范反应谱基本一致。 451 转换层及其上下层塑性损伤情况本结构底部加强区以中震不屈服设计配筋，加强层上下两层则以中震弹性设计加强配筋，因此结构底部未出现明显的塑性损伤情况。转换梁及框支柱仅端部混凝土出现轻微拉裂，未出现混凝土的受压损伤和钢骨塑性应变，转换梁和框支柱的抗震承载力足够。转换层上一层的个别剪力墙角部出现轻微的混凝土受压损伤，混凝土受压弹性模量退化约 30%，仍有足够的竖向承载力。 4.5.2 连体部位构件的塑性损伤情况 在安评人工波作用下，加强前 29 层连体以上及 35 层平面收进处由于刚度突变剪力墙损伤严重，经过多次调整，将上部剪力墙混凝土强度等级提高到
11、 C45，并且将与连体连接的两榀剪力墙厚度增加到 300mm，剪力墙分布筋配筋率提高到 1%。按此加强后，该两部位剪力墙损伤大幅减轻，大震下损伤轻微。而采用了适合地区特征周期的罕遇地震人工波后，上述结构上部的损伤情况完全消失。 连体部位的楼板在两端出现了拉裂，钢筋仅出现了轻微的塑性应变，且未出现明显的混凝土受压损伤，仍可承担竖向荷载。连体部位的钢骨混凝土梁仅在梁端出现了混凝土拉裂，未见有混凝土受压损伤和钢筋、钢骨塑性应变，楼板和梁端混凝土拉裂后钢筋仍可传递水平拉力。 5 结构设计主要措施 塔楼设计中的主要问题是: 高度均超过规范限值、部分抗侧力构件不连续、连体结构。 针对上述超限情况及设计中的
12、关键技术问题，采取了如下主要措施: 5 1 设计和构造措施 本工程 820 层、2729 层为结构连体楼层，因此结构剪力墙底部加强区取地下 1 层8 层，抗震等级提高至特一级按中震弹性，大震剪切均不屈服性能目标进行设计。地下 1 层29 层与连体区相连的剪力墙: 抗震等级提高至特一级。按中震弹性，大震剪切均不屈服性能目标进行设计。 第 2 层为框支剪力墙转换层，采取以下针对性抗震措施: 1) 加强落地剪力墙、核心筒，确保转换层下上层侧向刚度比07;2) 框支柱和转换梁按中震弹性，大震不屈服性能目标进行设计。框支框架中设置了固接钢骨，以形成完整的钢骨体系，增强系统的整体性和地震下的延性; 3)
13、控制框支柱轴压比06，转换梁适当加宽，控制剪压比，并在内力调整基础上适当增加配筋率、配箍率、腰筋，箍筋全梁段加密;4)2 层转换层及其上、下二层楼板厚度加强至 150，板每层每方向的配筋率不小于03%;5) 墙身水平和竖向分布筋配筋底部加强部位最小配筋率 050%; 一般部位最小配筋率 035%; 约束边缘构件竖筋最小配筋率为 14%，体积配箍率不小于 2.3%; 核心筒四角约束边缘构件内设置型钢柱。 连接层连体部位纵向框架梁采用钢骨混凝土构件。约束边缘构件竖筋最小配筋率为 14%，体积配箍率不小于 23%，墙身水平和竖向分布筋配筋底部加强部位最小配筋率 050%;( 2021 层、2630
14、层) 楼板厚加强至 150，板每层每方向的配筋率不小于 0.3%。 中间连接层( 20 21 层) : 剪力墙抗震等级提高至特一级，计算指定为薄弱层。按中震弹性，大震剪切均不屈服性能目标进行设计。 顶部连体区( 2634 层) : 抗震等级提高至特一级，计算指定为薄弱层。按中震弹性，大震不屈服性能目标进行设计。连体二塔高度相差较大，时程分析结果反映 30 层以上高振型的影响较为显著，因此采用振型分解法计算地震作用时，对该部位地震作用放大 20% 用于结构配筋计算。约束边缘构件竖筋最小配筋率为 14%，体积配箍率不小于 20%，墙身水平和竖向分布筋配筋加强部位最小配筋率 1.00%。 6 结论 设计中充分利用概念设计方法，对关键构件设定抗震性能化目标。并在抗震设计中，采用多种程序对结构进行了弹性、弹塑性计算分析，除保证结构在小震下完全处于弹性阶段外，还补充了关键构件在中震和大震下的验算。计算结果表明，多项指标均表现良好，基本满足规范的有关要求。根据计算分析结果和概念设计方法，对关键和重要构件作了适当加强，以保证在地震作用下的延性。
