武汉某超限高层住宅结构抗震分析设计

第50卷增刊建筑结构Vol.50 S2
武汉某超限高层住宅结构抗震分析设计
曹源，李智明
（中信建筑设计研究总院有限公司，武汉430000）
[摘要] 武汉某住宅超限高层项目结构高度138.3m，采用框架-剪力墙结构形式，剪力墙为钢筋混凝土剪力墙，框架柱为钢管混凝土柱，属于B级高度建筑，存在扭转不规则、凹凸不规则、穿层柱等多项不规则项。

利用YJK、MIDAS Builiding、SAUSAGE等计算软件对结构进行小震弹性分析、小震弹性时程分析、中大震等效弹性分析、大震弹塑性时程分析，并补充了弱连接处楼板抗震性能化设计以及穿层柱屈曲分析。

计算结果满足规范要求，可供同类工程设计参考。

[关键词] 框架-剪力墙结构；钢管混凝土柱；性能化设计；楼板损伤分析；穿层柱屈曲分析
中图分类号：TU355 文献标识码：A 文章编号：1002-848X(2020)S2-0234-05
Seismic analysis and design of a high-rise residential structure in Wuhan
CAO Yuan, LI Zhiming
(CITIC General Institute of Architecture Design and Research Co., Ltd., Wuhan 430000, China)
Abstract: The structural height of a high-rise residential project in Wuhan is 138.3m. It is a frame-shear wall structure, the shear wall is a reinforced concrete shear wall and the column is a steel tube concrete column, which belongs to the B-level height building.There are a number of irregularities such as torsion irregularities, uneven irregularities, and through-layer pillars.This article uses YJK, MIDAS Builiding, SAUSAGE and other calculation software to perform small earthquake elastic analysis, small earthquake elastic time history analysis, medium and large earthquake equivalent elastic analysis, large earthquake elastoplastic time history analysis, and supplements for weak earthquakes.This article uses YJK, MIDAS Builiding, SAUSAGE and other calculation software to perform small earthquake elastic analysis, small earthquake elastic time history analysis, medium and large earthquake equivalent elastic analysis, large earthquake elastoplastic time history analysis. It also supplements the seismic performance design of the floor slab at the weak connection and the buckling analysis of the through-story column. The calculation result meets the requirements of the specification and can be used as a reference for similar engineering design.
Keywords:frame-shear wall structure; concrete-filled steel tube column; performance-based design; floor damage analysis; buckling analysis of stratified column
1工程概况
本项目总建筑面积13.59万m2，包含10栋办公楼、1栋商业建筑及1栋住宅。

本工程为住宅楼，建筑面积为33081.14m2，地下1层，地上45层，地下一层结构高度5.2m，首层层高6.9m，其余各层层高均为3m，建筑总高度为138.300m，建筑效果图如图1所示。

结构采用框架-剪力墙结构体系[1]，其中，剪力墙为钢筋混凝土剪力墙，框架柱采用钢管混凝土柱。

2 设计条件及参数
工程设计基准期及设计使用年限为50年，建筑结构的安全等级为二级，抗震设防类别为标准设防，抗震设防烈度为6度，峰值加速度为0.05g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类，特征周期为0.45s。

小震、中震计算及大震验算时，均采用新版地震动参数区划图的地震动参数，见表1。

基本风压为0.35kN/m2，地面粗糙度类别为B 类，由于本工程为平面不规则的近似Y型结构布置，如图2所示，体型系数参考《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010
）附录B的计算方法，取1.5，同时考虑相互干扰系数1.1。

图1 建筑效果图
作者简介：曹源，硕士，工程师，一级注册结构工程师，注册土木工程师（岩土），Email:******************。

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设计采用的地震动参数表1
图2 标准层结构布置
3 结构超限情况及抗震性能目标
根据住建部文件《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（2015年），本工程各项超限内容如下：
1）高度超限：结构高度138.3m，超过框架-剪力墙结构A级高度130m限值，属于B级高度建筑；2）扭转不规则：考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2，Y型结构平面偏心率大于0.15[2]；3）凹凸不规则：Y型凸角尺寸大于相应边长的30%；4）其他不规则：外围两层通高的花园阳台形成穿层柱。

针对本工程的结构形式和超限情况，依据《高规》选择C级性能目标，对底部加强区剪力墙、穿层柱、弱连接处楼板等关键构件进行抗震性能化设计，满足小震弹性、中震弹性和大震不屈服性能水准要求。

4 结构抗震计算
4.1 小震弹性分析
本工程小震弹性分析采用YJK作为主要计算软件，同时采用MIDAS Building对YJK分析结果进行校核。

YJK及MIDAS building两种软件分析得到的结构总质量、周期、基底剪力和层间位移角基本一致，主要计算结果见表2。

在规定水平力作用下，结构底层框架部分承受的地震倾覆力矩与结构总地震倾覆力矩的比值，X向、Y向分别为3.80%、6.10%，不大于结构底部总倾覆弯矩的10%，依据《高规》第8.1.3.1条及此条文的相关解释说明，该建筑工作性能接近于纯剪力墙结构，按剪力墙结构进行设计，框架部分按框架-剪力墙结构的框架进行设计，层间位移角限值采用剪力墙结构1/1000的要求。

小震弹性分析计算结果对比表2
4.2 小震弹性时程分析
本工程取7组时程曲线进行计算，每条时程曲线均满足地震动三要素要求，即频谱特性、加速度有效峰值及持续时间符合规范要求。

7条时程曲线主方向的地震波平均地震影响系数曲线与新版地震动参数区划图的规范反应谱的地震影响系数曲线比较如图3所示，满足规范要求。

图3 平均反应谱与区划图反应谱的比较（主向）
时程分析结果表明结构的楼层剪力（图4）、层间位移角（图5）与CQC法相差不大，地震反
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应特征、位移变化规律基本一致，说明结构在多遇地震作用下整体性能及结构构件性能均满足规范小震弹性的要求。

图4 楼层剪力对比图
图5 层间位移角对比图
4.3 中大震等效弹性分析
中、大震作用下结构构件的设计计算，可以通过增加阻尼比和对连梁刚度进行折减的等效弹性的方法[3]来来近似考虑结构阻尼增加和刚度退化。

本工程运用YJK采用等效弹性反应谱方法对本工程结构构件进行抗震性能设计。

中大震等效弹性设计参数详见表3。

中震等效弹性设计的最大层间位移角均小于1/500（2倍弹性变形限值），大震等效弹性设计的最大层间位移均小于1/250（4倍弹性变形限值），同时，按小震弹性分析结果与等效中震弹性分析结果包络值进行设计配筋，结构能达到预定的性能目标，主要计算结果见表4。

中、大震等效弹性反应谱法设计参数表3
设计参数中震弹性大震不屈服αmax0.1625 0.3508 场地特征周期T g(s) 0.45 0.50 阻尼比0.06 0.07 连梁刚度折减系数0.7 0.3
地震组合力调整系数 1.0 1.0 作用分项系数
同小震弹性分析 1.0 材料分项系数同小震弹性分析 1.0 抗震承载力调整系数同小震弹性分析 1.0 材料强度设计值标准值周期折减系数0.95 1.0
中、大震等效弹性反应谱法计算结果表4
4.4 大震弹塑性时程分析
本工程采用SAUSAGE软件进行罕遇地震弹塑性时程分析，选用符合规范要求的两条天然波（TR1和TR2）和一条人工波（RG1）进行包络设计分析，主要计算结果见表5。

由表5可知，三条地震波的弹塑性X向、Y 向最大层间位移角包络值为1/389、1/264，均小于限值1/250（4倍弹性变形限值），满足大震作用下层间位移角限值要求。

大震动力弹塑性时程分析计算结果表5
图6为部分楼层竖向构件的性能水平图。

大部分剪力墙未出现明显损伤，部分剪力墙出现轻微损坏，个别剪力墙墙肢出现轻度损坏；外围钢管混凝土框架柱在大震下有较好的延性，少数框柱出现轻微~轻度的损坏，大部分框柱保持无损坏；屋顶造型竖向构件出现轻微~轻度损坏，设计
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中设置抗震加强措施。

结构在罕遇地震作用下的弹塑性反应及破坏机制，符合结构抗震工程的概念设计要求，满足抗震性能C要求。

图6 罕遇地震作用下部分楼层竖向构件性能水平图
5 大震下弱连接处楼板损伤分析
本工程Y型三个单元交汇处中间附近楼板连接较薄弱，对于这种平面不规则结构，楼板不仅需要承受和传递竖向荷载，还应考虑水平荷载（地震作用及风荷载）作用下楼板的受力情况，确保楼板能够有效协调竖向构件的变形[4-5]。

针对本工程的弱连接处楼板，提出具体性能目标：1）小震、风荷载组合下楼板不开裂，板面板底主拉应力小于混凝土抗拉强度标准值；2）中震等效弹性计算下下，楼板面内受剪承载力弹性，面外正截面承载力不屈服；3）大震等效弹性计算下，楼板面内受剪承载力、面外正截面承载力均不屈服。

由于弱连接板处不符合刚性楼板的假定，故采用YJK软件进行楼板（弹性板）有限元分析了小震、中震等效弹性及大震等效下应力验算，大部分楼板能满足预设性能目标要求，仅在局部剪力墙附近楼板出现应力集中，可采用抗震加强措施处理。

根据小震及风荷载组合计算和中震弹性计算的包络设计配筋结果，采用SAUSAGE软件补充分析了大震下楼板钢筋的应变水平及楼板剪切型拉伸损伤情况，结果显示大震下楼板钢筋未发生塑性应变（图7为二层楼板钢筋最大应变图），剪力墙四周的局部楼板出现剪切拉伸损伤（图8为二层楼板剪切型拉伸损伤图），但损伤程度较低，楼板整体依然保持比较好的完整性，能实现保证生命安全的需要。

图7 二层楼板钢筋最大应变图
图8 二层楼板剪切型拉伸损伤图
6 穿层柱屈曲分析
由于本工程的花园阳台均为两层通高，钢管混凝土框架柱为跨越两层的穿层柱，整体计算模型中框架柱的计算长度取值是否合理，可以通过屈曲分析读取各阶屈曲模态下的屈曲临界荷载[6]，由欧拉临界荷载公式来反算得到穿层柱的计算长度系数μ。

欧拉临界荷载公式为：
2
cr2
π
()
EI
P
lμ
=（1）
式中：
cr
P为构件屈曲临界荷载；EI为构件弹性抗弯模量；l为构件几何长度；μ为构件计算长度系数。

采用MIDAS GEN程序对结构进行恒活标准组合（1.0DL+1.0LL）下的屈曲分析。

根据屈曲模态显示，第1阶屈曲模态为结构整体屈曲；第2、3阶屈曲模态为首层左侧柱失稳，第2阶屈曲模态下的屈曲因子为24.82（图9）；第4~6阶屈曲模态为首层右侧两根柱失稳，第4阶屈曲模态下的屈曲因子为25.45（图10）。

底层钢管混凝土柱高9.900m，截面尺寸为直径D=750mm（钢管壁厚t=16mm），钢材为Q355B，混凝土强度等级为C50，从右至左编号Z1~Z3。

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图9 第2阶屈曲模态（屈曲因子λ2=24.82）
图10 第4阶屈曲模态（屈曲因子λ4=25.45）
142c c s s =9.62210(N mm )EI E I E I =+⨯⋅
式中：s s E I 为钢管弹性抗弯模量；c c E I 为钢管内混凝土弹性抗弯模量。

计算结果见表6（DL 为恒荷载，LL 为活荷载），结果表明Z1~Z3的计算长度系数均小于计算模型中采用的柱计算长度系数，说明模型中穿层柱的计算长度是满足设计要求的。

首层穿层柱计算长度系数
表6
7 结论
（1）本工程存在高度超限，扭转不规则、凹凸不规则、穿层柱等多项不规则情况，采用框架-剪力墙结构体系，框架柱为钢管混凝土柱，剪力墙为钢筋混凝土剪力墙，楼盖体系为钢筋混凝土梁板结构。

（2）采用YJK 和MIDAS Building 两种软件进行了小震弹性分析，两种软件分析的结构总质量、周期、基底剪力和层间位移角基本一致，表明模型的计算结果是可信的。

（3）通过YJK 小震时程分析结果表明结构的反应特征、变化规律与振型分解反应谱法分析结果基本一致。

（4）YJK 中大震等效弹性计算整体指标及构件验算结果均能满足预设的性能目标C 要求。

（5）补充弱连接板处楼板抗震性能分析及穿层柱屈曲稳定分析，均满足设计要求。

通过以上结构计算分析，表明结构具有良好的抗震性能，以供工程设计参考。

参 考 文 献
[1] 组合结构设计规范: JGJ 138—2016[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2016.
[2] 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.
[3] 建筑抗震设计规范: GB 50011—2010[S]. 2016年版. 北京: 中国建筑工业出版社, 2016.
[4] 扶长生, 刘春明, 李永双, 等. 高层建筑薄弱连接混凝
土楼板应力分析及抗震设计[J]. 建筑结构, 2008, 38(3): 106-110.
[5] 魏琏, 王森, 陈兆荣, 等. 高层建筑结构在水平荷载作
用下楼板应力分析与设计[J]. 建筑结构, 2017, 47(1): 106-110.
[6] 吴兵, 傅学怡, 孙璨, 等. 苏州圆融星座钢管混凝土柱
稳定及计算长度分析研究[J]. 建筑结构, 2017, 47(1): 106-110.。