嘉盛大厦项目结构抗震设计

1 工程概况

嘉盛大厦项目位于广州大道西侧，寺右南二街与寺右南二巷交汇处东北角。项目总建筑面积65 551.8 m2，本工程共包含机动车库地下4层，商业网点地上2层，住宅地上46层，避难层共3层，分别位于12、26、39层，总层数50层。本工程为部分框支剪力墙结构，转换层设置于2层楼面。建筑效果及地下室平面图如图1所示。

图1 建筑效果及地下室平面图
Fig.1 Architectural Renderings and Basement Plan

项目抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，抗震设防分类为丙类，设计地震分组为第一组，场地类别Ⅱ类；阻尼比取为0.05。［1］

2 结构布置

2.1 基础布置

根据地基土质、上部结构体系及施工条件等资料，经技术和经济对比优化，本工程基础采用求筏板加人工挖孔桩基础。然而场地中存在部分已施工的人工挖孔桩，基础设计时充分利用已有桩基础承重能力，并结合已有桩位及地下室柱位新设桩基，考虑到新旧桩总数较多，设计时不考虑筏板对承载力的贡献，利用筏板协调新旧桩受力，并作为基础的安全富余。地下室局部桩兼作抗拔桩基础，抗拔桩主要布置在塔楼以外的地下室范围。

2.2 上部结构设计

嘉盛大厦设有4层地下室，首层塔楼区域采用混凝土梁板体系，非塔楼区域采用密肋楼盖体系，板厚180mm，负1～负3层均采用无梁楼盖，板厚h=200mm。整体性良好。根据建筑功能使用、防水要求，地下室不设缝；在塔楼区域南北两侧各设置1条沉降后浇带，并在塔楼范围外，东西侧各增设1条后浇带，同时拟采取相应的构造措施和施工措施，以减少由于混凝土后期收缩及温度效应引起的混凝土构件可见裂缝的产生。

2层为框支转换层，采用钢骨柱与钢骨梁进行托墙转换，仅有两个Y向偏置的核心筒与建筑梁端个别墙体不进行转换。

标准层的平面中部根据建筑使用功能需求，设置了楼板开洞，开洞宽度约为该处建筑物截面的50%。结构设计时，加厚了中部楼板，以对洞口两侧结构起到更好的拉结作用。标准层平面如图2所示。

图2 标准层结构平面布置图
Fig.2 Floor Plan of Standard Layer Structure

3 数值分析

3.1 多遇地震下的数值模型分析

本项目结构高度大于150 m，属于对风荷载非常敏感的建筑，需考虑横风效应的影响，承载力验算时在基本风压的1.1倍的基础上再放大1.05，即结构承载力验算时基本风压值采用0.58 kN/m2。

使用盈建科计算软件（简称YJK）及MIDASBUILDING建立本项目数值计算模型。模型如图3所示。

图3 数值分析模型
Fig.3 Numerical Analysis Model

结构计算考虑偶然偏心及双向地震作用、扭转耦联效应及施工模拟。［2］

小震抗震性能分析结果如表1所示。

3.2 设防地震及罕遇地震下的数值模型分析

使用YJK软件对本项目进行中震弹性、大震动力弹塑性验算，并使用ABAQUS及SAUSAGE软件复核罕遇地震下的构件弹塑性损伤情况。弹塑性模型如图4所示。数值模型的主要控制指标如表2所示，计算结果表明，本项目主要控制指标为50年一遇风荷载下的最大层间位移角，其余计算指标均满足规范要求。

表1 数值模型小震主要指标的计算结果对比
Table 1 Comparison with Calculation Results of of Minor Earthquakes

主要指标 YJK YJK自振周期（T1～T3）s 5.03，4.58，3.50 4.84，4.48，3.39 Tt91070 88253标准层单位面积重度T1 0.69 0.70结构总质量tXY kN·m-2 18.6 17.7地震作用下基底剪力kN 10865.85 11703.77 XY 9730.54 9967.04剪重比（最小剪重比）1.11（1.31）1.19（1.27）规定水平力底层（首层）地震倾覆力矩框架部分所占比例%1.19（1.31）1.29（1.20）17.3 8.215.2 10.0给定水平力并考虑偶然偏心最大位移比（层号）%XY 1.08（7）1.23（6）XY 1.11（4）1.22（1）风荷载下最大层间位移角（所在楼层）11 XY 2005（30）1 1937（25）1907（40）地震作用下最大层间位移角（所在楼层）595（43）XY 854（19）1 11957（34）833（20）1882（26）

图4 弹塑性计算模型
Fig.4 Elastoplastic Calculation Model

3.3 风荷载下的最大层间位移角限值研究

由表1、表2可见，本项目50年一遇风荷载下的最大层间位移角为1/595，大于高层建筑混凝土结构技术规程规定的1/800。根据2016年5月12日发出的广东省超限高层建筑抗震设防审查专家委员会会议纪要，在满足5点要求的前提下，放宽按弹性方法计算的50年一遇风荷载作用下楼层的层间位移角限值“：高150 m及以下的框架-剪力墙结构不宜大于1/500，高 250 m 及以上结构不宜大于1/400；高150～250 m之间可内插确定。［3］”嘉盛大厦项目结构位移角限值为1/533，计算结果能够满足此建议限值。

表2 数值模型主要控制指标的计算结果
Table 2 Calculation Results of Numerical Analysis Model

地震 验算内容 主要性能指标最大层间位移角（层号）地震：1 XY 2005（30）地震：11105（30）；风：1小震595（43）变形验算 各栋塔楼均满足小震验算时层间位移角控制承载力验算 完好，按常规设计878（45）；风：1最大层间位移角（层号）XY 415（30）1 1304（45）中震承载力验算关键部位剪力墙墙体（底部加强区剪力墙、裙楼跨层剪力墙）、框支框架满足弹性的要求；结构部分楼层楼面梁出现抗弯屈服，大部分楼层的连梁出现超筋的情况，但其均满足抗剪截面验算的要求。整体属轻度损坏。最大层间位移角（层号）1125（40）变形验算 在性能点处，满足大震验算时层间位移角控制：1125 XY 127（35）1大震采用弹塑性时程分析方法进行验算，有个别剪力墙角部由于应力集中进入屈服，但屈服程度小，属轻度损伤，满足最小截面验算要求；非底部加强区剪力墙未出现屈服，满足最小截面验算要求；裙楼跨层剪力墙满足不屈服；框支柱未进入屈服，转换梁未出现屈服；部分框架梁出现塑性铰，但屈服程度小（处于直接居住极限状态以下）；部分连梁出现屈服。整体结构属轻度损坏。总结 整体结构满足性能目标C要求。承载力验算

会议纪要要求的5项前提为：

⑴ 满足结构填充墙、内隔墙、幕墙等非结构构件对主体结构的刚度需求，不因结构变形而引起损坏。

⑵ 满足风荷载作用下的舒适度验算要求。验算时，混凝土结构的阻尼比不大于2%，混合结构的阻尼比不大于1.5%，钢结构的阻尼比不大于1%。

⑶ 满足结构整体稳定性要求。

⑷ 满足机电设备正常运行的要求。

⑸ 结构单元间留设防震缝时，宽度应满足中震作用下两侧结构不发生碰撞的要求。防震缝宽度可取不小于中震作用下较低结构单元顶点水平位移与相应标高较高结构单元水平位移绝对值之和，并不小于规范要求。

根据中震弹性计算结果及动力弹塑性构件损伤情况，结构布置合理，构件在设防地震及罕遇地震的抗震性能良好。转换梁柱及底部加强区剪力墙按中震计算结果配筋，保证多遇地震下结构构件处于弹性受力状态。

使用YJK实体模型自定义材料，建立转换层及30层、45层隔墙模型，隔墙材料力学性质如下：容重7.25kN/m3，弹性模量2 200 N/m2，泊松比 0.2，热膨胀系数8×10-6mm/m·℃。对模型实施1/595的强制位移，结果显示各层隔墙未发生破坏。

根据建筑幕墙规范，幕墙的平面变形限值需小于弹性层间位移角控制值的3倍，本项目中即为1/198。而幕墙自身位移角限值为1/100，大于 1/198。

风荷载下的舒适度如表3所示。

表3 风荷载下的舒适度计算结果
Table 3 Calculation Results of Comfort Requirements by Wind Condition

项目 结果风荷载体型系数 1.4地面粗糙度 D基本风压（10年）5.03顺风向最大加速度kN·m-2 0.30舒适度验算阻尼比 0.02结构基本周期s XY 4.580.075横风向最大加速度m·s-2 XY 0.037m·s-2 XY 0.0590.057

此外，本项目并无对加速度有要求的专业设备，塔楼顶部也并无与其他建筑物碰撞的可能性。故而本项目结构是安全可靠的，且放宽风荷载下位移角限值是可行的。

4 钢板剪力墙

4.1 钢板剪力墙的布置

传统钢板剪力墙可以分为：在混凝土两侧外包钢板的双层钢板剪力墙，以及在混凝土内部加设钢板的单片钢板剪力墙，端柱大多采用工字钢或方钢管。

如何保证混凝土与钢板之间的协同作用一直是钢板剪力墙结构中的研究难点。钢板剪力墙在水平地震荷载下，端柱出现滞回变形，对墙体产生周期性挤压，导致角部混凝土被严重压碎。现有的改进型钢板剪力墙，仅仅在混凝土与钢端柱之间预留一定的缝隙，或设置混凝土与端柱之间的过渡连接，加大对钢板的延性及变形能力的利用率，本质上是通过减少混凝土所承受的水平力，让钢结构的抗震性能得到发挥，进而减少了墙体面外区曲现象。［4］

此外，传统钢板剪力墙的端柱作为主要的抗侧力构件，在设计时截面通常较大，即使是采用方钢管的形式，端柱壁厚也难以控制下来，施工时吊装与现场焊接均存在难点，影响工期及施工质量。［5］

由于本项目超B级高度、核心筒偏置以及高宽比高达8.65的特点，核心筒所受剪力在设防地震下接近20 000 kN，且局部出现了拉力。由于建筑使用功能的限制，剪力墙截面需要尽量减小。若使用普通钢筋混凝土剪力墙，经过复算，剪力墙宽度需增加至1 000mm，若采用传统钢板剪力墙设计，不仅端柱难以施工，且钢板墙厚度也无法满足建筑要求。

根据此前的钢板剪力墙项目施工情况［6］，对传统钢板剪力墙进行了改进，本项目最终采用了新型带螺栓连接的分离式双片钢板剪力墙及单片钢板剪力墙两种结构形式。主要布置于负1层～3层，用以加强核心筒抗弯与抗剪能力，以及转换层上部剪力墙的抗剪性能。钢板剪力墙的具体布置如图5所示。

图5 传统钢板墙布置示意图
Fig.5 Diagram of Traditional Shear Wall

4.2 新型钢板剪力墙的构造

本项目采用的新型带螺栓连接的分离式双片钢板剪力墙，包括端柱和墙身。端柱为钢管柱，所述端柱在与墙身相连接的一端预留有两条端柱钢板悬臂，墙身具有两片竖向设置的墙身钢板，两片墙身钢板在与端柱相连接的一端均预留有1条墙身钢板悬臂，两条端柱钢板悬臂和两条墙身钢板悬臂正对，且端柱钢板悬臂和墙身钢板悬臂之间留有间隙，所述的端柱钢板悬臂和墙身钢板悬臂通过连接板和螺栓相连接，连接板位于端柱钢板悬臂和墙身钢板悬臂的外侧，且封堵端柱钢板悬臂和墙身钢板悬臂之间的间隙，端柱和墙身采用分段化、分离化生产和现场拼装，拼装后采用一体浇筑混凝土成型，构成整体的钢板剪力墙。

钢板墙墙身用墙内加劲肋连接两片墙身钢板两端，用在墙身竖向筋上电阻点焊布置墙身拉结筋组成的新型拉杆连接两片墙身钢板两侧形成墙身整体。墙身顶部须设置水平方向墙身加劲肋，并按等间距1 000mm在墙身钢板内布置，加强剪力墙墙身刚度，稳定剪力墙墙身并共同参与抗剪；两侧钢板须等间距设置栓钉，增加钢板与混凝土的连接可靠度。在水平加劲肋方向上等间距200mm设置一道耳板套住新型拉杆，墙身两侧钢板组成一个整体受力构件，从而保证了混凝土与钢构件的整体性，具有良好的弹性刚度、稳定性好、抗拉抗弯抗剪能力高等优点。如图6所示，可以看出此钢板剪力墙相对于传统剪力墙，能更有效的利用墙体混凝土强度，通过设置耳板，将钢板、混凝土、钢筋连接成一个整体，减少地震下的局部破坏，有效控制截面厚度，在保障安全的前提下提供更大的建筑使用面积。

图6 新型钢板墙构造示意图
Fig.6 New Type of Steel Wall Structure Diagram

新型带螺栓连接的分离式双片钢板剪力墙的端柱采用钢管柱加带小型钢的肋板组合而成，由于其格构式的设计，受力均匀，不容易发生应力集中效应。

此外本项目所设计的钢板剪力墙还可以利用其中的型钢与转换梁进行连接，保障被转换墙体的剪力传递效率。节点如图7所示。

图7 钢板墙与型钢转换梁节点示意图
Fig.7 Node Diagram of Shear Wall and Reinforced Rransfer Beam

4.3 钢板剪力墙的应用

试验和理论分析证明钢板剪力墙是有效且经济的，其直接优点就是增强了结构延性，它有稳定的滞回性能，高耗能能力和优良的塑性性能。与钢筋混凝土剪力墙相比，钢板剪力墙最突出的优点是在很大程度上降低了结构自重。如此，可以减小地震时的不利作用，如减小结构底部的倾覆力矩，减小重力荷载代表值。而且，钢板剪力墙的施工要比普通钢筋混凝土剪力墙和支撑结构要简单的多。

本项目采用的带螺栓连接的分离式双片钢板剪力墙在传统钢板剪力墙的基础上，加入了耳板并改进了端柱设计，进一步减小了墙体截面，具有延性破坏特征,其滞回曲线较普通钢筋低剪力墙丰满，并有较强的塑性变形能力和耗能能力，承载力也有较大的提高。此外，该新型钢板剪力墙能够在工厂预制主要受力部分，有利于装配化，构件化，效率高，不但整体性好，施工质量也更容易保证，满足住宅产业化的发展。在国家重点推进装配式结构的大环境下，很好的体现了装配式结构的价值。成品结构如图8所示。

图8 钢板墙成品结构
Fig.8 Shear Wall Products

5 结语

嘉盛大厦项目通过建立数值模型并进行多遇地震、设防地震及罕遇地震下的结构抗震性能分析，论证了该项目在高宽比较大的情况下结构设计的安全性、可靠性，并讨论了高宽比较大的建筑物放宽50年一遇风荷载下位移角限值的可行性。此外，嘉盛大厦项目使用了新型带螺栓连接的分离式双片钢板剪力墙增加结构延性，提高抗震性能。并对此钢板剪力墙的设计进行细致的论述，阐述其将钢板、钢筋、混凝土连接成一个整体从而能够有效减少墙体截面的特点，且同时具备装配式结构质量易保证、施工效率高的优点。为其他同类项目提供了可靠的工程实例参考。

参考文献

［1］中华人民共和国住房和城乡建设部.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.

［2］中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.建筑抗震设计规范：GB 50011-2010（2016年版）［S］.北京：中国建筑工业出版社，2016.

［3］翁泽松.高层建筑结构层间位移角限值控制探讨［D］.广州：华南理工大学，2014.

［4］陈星，梁艳云，区彤.建筑结构新技术发明研究及应用［M］.北京：中国建筑工业出版社，中国城市出版社，2016.

［5］陈星，张小良，龙秀海，等.高层建筑中稀柱框架-核心筒结构体系研究［J］.建筑结构，2016，46（21）：1-6.

［6］Farzad Hatami，Ali Ghamari，Farshad Hatami.Effect of fiber angle on LYP steel shear walls behavior［J］.Journal of Central South University，2014（02）：768-774.