带错层的特别不规则高层建筑剪力墙结构设计应用研究-以江阴碧桂园世纪学府8#楼设计项目为例

1、       带错层的特别不规则高层建筑剪力墙结构设计应用研究以江阴碧桂园世纪学府8#楼设计项目为例                     摘要：随着地产行业的发展，主楼内局部带有商业的高层剪力墙结构越来越普及，错层式结构越来越多。与不带错层的高层结构相比，错层高层剪力墙结构由于楼板不连续，相互错置，引起地震作用下结构构件应力分配的复杂化，削弱了楼板协调整体变形的能

2、力。同时，错层部位的竖向构件形成了短柱及短墙，构件的延性变羞，引起了整个结构抗震性能降低。本文详细地介绍了一栋带错层的复杂剪力墙高层住宅的结构设计，在结构布置、分析计算和构造加强措施等方面作出了有效的处理，使整体设计满足规范要求。关键词：抗震不利地段；高层带错层的特别不规则结构；扭转效应；平面凹口；高宽比较大1、江阴碧桂园世纪学府8#楼工程概况江阴碧桂园华星世纪学府-8#楼为一栋地上32层，地下一层地下室的高层住宅，建筑总面积为15715.22m2，住宅部分建筑层高为2.90米， 1,2层有局部为物业用房，因消防要求控制层高为3.9米+3.4米+1.4米，1.4米结构空腔层，对应住宅部分为3层

3、；地下室连为一体，地下室顶板作为上部结构的嵌固端。地下建筑层高为4.650，为满足嵌固要求，结构将一层梁板降低0.8米，结构层高为3.85m；地上32层为住宅，住宅部分一层层高为3.7m（地下室顶板上有0.8m覆土），标准层层高为2.9m，建筑物室外地坪至主体结构檐口的高度为92.90m。图1 建筑错层平面图图2 错层示意图2 场地工程地质条件据地勘报告知该场地土类型为中软土，本场地建筑的场地类别为类，拟建场地属于对建筑物抗震不利的地段，该场地抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度为0.10g,设计地震分组为第一组。本场地设计特征周期取0.50(s)。本场地浅部存在软弱淤泥质粉质粘土，通过桩基

4、础可以解决不利影响。本楼采用直径600（130）ab桩加筏板基础的形式，桩端以11层粉质粘土层为持力层，下部无软弱下卧层，可不进行下卧层强度验算。3 基础设计3.1 设计单桩竖向抗压承载力特征值：1. 根据建筑桩基技术规范（jgj 94-2008）第5.3.5条取：(µ)=3140kn设计单桩竖向抗压承载力特征值为3100kn。选用图集10g409中600（130）ab桩，桩身轴心受压承载力特征值为3570kn，所选桩型满足图集要求。3.2 桩基布置如下：1.根据江苏省预应力混凝土管桩基础技术规程（dgj32/tj109-2010）甲类桩基重要性系数不低于1.1，对抗震不利地段重要性

5、系数相应提高0.1，本楼房桩基重要性系数取1.2。布桩如图3所示：图3桩位平面布置图3.3 基础底板计算基础采用平板式筏基，筏板厚度1.2m，底板内力及配筋计算采用yjk系列软件jccad中的桩筏筏板有限元按弹性地基梁板模型，基床系数和桩刚度按地勘资料计算取值，考虑上下部结构共同作用。计算结果均满足规范的要求。4、上部结构设计4.1计算条件及上部结构概况本号房设防类别为丙类建筑，类场地，采用剪力墙结构体系。抗震设防烈度为7度，剪力墙抗震等级为二级，对错层部分剪力墙及出现偏拉应力的剪力墙按特一级设计（图3中所示）。结构的阻尼比为0.05，根据地安评报告多遇地震水平地震影响系数最大值为0.105，

6、考虑双向地震力作用，周期折减系数0.9， 计算取36个振型，连梁刚度的折减系数为0.7。基本风压取值：0.45kn/m2, 承载力设计时的风荷载效应放大系数为1.1，地面粗糙度为b类，结构体型系数为1.4。图4 二层结构平面布置图图5 夹层结构平面布置图对该楼体型存在的不规则判定如下表1:表1 体型不规则类型及定义序不规则类型涵义是否超限1a扭转不规则考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2超限1b偏心布置偏心距大于0.15或相邻层质心相差大于相应边长15%否2凹凸不规则平面凹进深度大于相应尺寸的30%，或凸出长度大于相应总尺寸的30%且凸出宽度小于凸出长度的50%超限3楼板局部不连续开洞面积大于本

7、层面积的30%（含高差大于梁高的降板），楼板有效宽度小于典型宽度的50%否4侧向刚度不规则层刚度小于相邻上层的70%或连续相邻上三层的80%，（除顶层或出屋面小建筑，或裙房（辅楼）高度不大于主楼的20%外）局部收进尺寸大于相邻下层的25%，上部楼层大于下部楼层水平尺寸1.1倍或整体水平悬挑大于4m否5竖向抗侧力构件不连续上下墙、柱、支撑不连续否6承载力突变层受剪承载力小于相邻上层的80%否7复杂结构错层结构，带加强层的高层建筑，裙房大底盘的多塔以及连体高层建筑超限结论：该建筑属于特别不规则高层建筑。4.2 结构线弹性分析及主要结果4.2.1 计算分析软件盈建科建筑结构计算软件yjk-s 1.9

8、.3中国建科院有限公司 pkpm-pmsap4.2.2 计算分析主要输入参数表2 整体模型计算参数水平地震作用方向数2（x向、y向）是否考虑竖向地震作用否是否考虑双向地震作用是是否考虑偶然偏心作用是是否考虑p-delta效应否是否梁柱重叠部分转化为刚域否考虑施工影响加载方式施工模拟3是否折减梁、柱设计时活荷载否是否折减传给基础的活荷载是梁端负弯矩调整系数0.85连梁刚度折减系数0.7梁扭矩折减系数0.4中梁刚度放大系数根据规范软件自动计算刚性楼板假定否4.2.3 主要计算结构4.2.3.1周期及振型采用satwe和pmsap计算结果如表3所示。表3 周期阵型比较振型编号yjkpmsap周期（s

9、）方向周期（s）方向12.5043x向2.5307x向22.4561y向2.4821y向31.7920扭转1.6841扭转40.7605y向0.7721y向50.6391x向0.6521x向60.5145扭转0.4973扭转质量参与系数x向99.09%x向97.05%y向90.95%y向90.48%tt/t10.720.67对比结果表明，yjk前6阶周期计算结果与pmsap计算结果略有差别，满足工程精度要求。结构第一自振振型为x方向平动，第二振型为y方向平动，第三振型为扭转振型。yjk与pmsap计算结果基本一致。x、y方向的前36阶振型参与质量均满足规范90%的要求。yjk第一扭转周期与第一

10、平动周期之比为0.72 <0.90；pmsap第一扭转周期与第一平动周期之比为0.67 <0.90；满足抗规对扭转周期比的规定。4.2.3.2重力作用结果比较采用yjk和pmsap计算结果如表4所示。表4 重力作用比较项目yjkpmsap总质量wt (kn)28407.18029416.17模型计算结果基本一致。4.2.3.3底部风及地震总作用底部楼层竖向荷载及水平荷载作用下剪力及倾覆弯矩见表5所示，对比可知，地震起控制作用。表5 底部风与地震总作用比较项目yjkpmsap地震作用(小震)x向基底总剪力（kn）3549.703461.21x向剪重比1.650%1.681%y向基底总

11、剪力（kn）3972.913845.61y向剪重比1.847%1.861%x向基底总倾覆弯矩（kn.m）193901.59189067.843y向基底总倾覆弯矩（kn.m）194163.71187942.316风作用(50年)x向基底总剪力（kn）2620.62541.5y向基底总剪力（kn）5675.55532.2x向基底总倾覆弯矩（kn.m）161588.8156711.4y向基底总倾覆弯矩（kn.m）344994.9336284.2yjk与pmsap计算结果基本一致，且满足规范要求的剪重比不小于1.6%。4.2.3.4层间位移角在风荷载及地震作用下，各楼层层间位移角均满足规范要求，如表6

12、 所示。表6 层间位移角项目yjkpmsapxyxy地震最大层间位移角1/17181/14411/16411/1377所在楼层（建筑楼层）16层21层十二层十二层风最大层间位移角1/26721/10711/25971/1054所在楼层（建筑楼层）12层20层12层21层模型计算结果基本一致，且满足规范要求的最大层间位移角不大于1/1000。4.2.3.5扭转位移比（一般刚性楼板假定）在考虑偶然偏心影响的水平地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与其平均值之比如表7所示。yjk与gen模型计算结果基本一致，且满足规范要求的扭转位移比不大于1.4。表7 考虑偶然偏心地震作用下扭转位移比项

13、目yjkpmsapx向y向x向y向最大扭转位移比1.321.271.371.31所在楼层（建筑楼层）30层2层30层2层计算工况风荷载作用风荷载作用风荷载作用风荷载作用4.2.3.6楼层侧移刚度比楼层x、y 方向本层塔侧移刚度与上一层相应塔侧移刚度70%的比值或上三层平均侧移刚度80%的比值中之较小者均大于1.0，可见本结构不存在软弱层。4.2.3.7楼层抗剪承载力比x方向最小楼层抗剪承载力之比: 0.97 层号: 二层y方向最小楼层抗剪承载力之比: 0.99 层号: 二层所有楼层受剪承载力均大于上部楼层的80%，不存在薄弱层。4.3 小震弹性时程分析4.3.1时程波的选取结构的动力弹性时程分

14、析，地震波按照表8选取：1组人工波、2组天然波。地震加速度时程最大值取为35 cm/s2。表8 时程波的选取名称类型san fernando-no-57天然波taiwan _no _2699天然波artwave-rh1tg055人工波4.3.2弹性时程分析结果-基底剪力地震波与反应谱最大基底剪力对比见表9。从计算结果可见，选取的地震波满足要求，且三条地震波的基底剪力包络值小于cqc法的计算结果，可不对cqc计算的地震力进行放大。表9 地震波与反应谱最大基底剪力对比基底剪力x向（kn）y向（kn）cqc法3571.6641.0003992.5341.000san fernando-no-5735

15、39.7690.993728.1370.934taiwan _no _26993823.2531.074063.5571.02artwave-rh1tg0553835.3781.073763.5570.94时程分析平均值3732.81.053851.750.9654.3.4弹性时程分析结果-层间位移角表10 地震波与反应谱层间位移角对比名称x向y向最大层间位移角对应楼层最大层间位移角对应楼层cqc法1/176916层1/14412层san fernando-no-571/343225层1/266628层taiwan _no _26991/184521层1/137223层artwave-rh1t

16、g0551/193823层1/197723层结论：弹性时程分析的位移角计算结果满足规范要求。4.4 地震作用下楼板应力分析本结构对二层楼板错层不规则。楼板在地震作用下可能产生较大的面内应力，导致结构平面刚度的下降和影响结构的整体性。因此，采用yjk和pmsap软件对结构楼板进行有限元分析，探讨在小震作用下能否保持弹性(即面内的拉应力小于混凝土抗拉强度标准值ft)、中震作用下楼板内钢筋是否达到屈服。采用yjk和pmsap进行楼板应力分析，楼板模拟为弹性板6。下面图中给出二层楼板内的x、y向地震正应力s1应力分布情况。根据楼板应力分析可知，在小震作用下，除洞口角点及剪力墙端点和转交处有应力集中外，

17、其余楼板内最大拉应力不超过1.4mpa，小于混凝土抗拉强度设计值（c30，ft=1.43mpa）。因此楼板在小震作用下基本能够保持弹性，根据yjk计算出的配筋结果，应力集中点处最大配筋420，实配10150。在中震作用下，除洞口角点及剪力墙端点和转交处有应力集中外，其余楼板内最大拉应力不超过4.0mpa。在中震作用下，拉应力超过混凝土抗拉强度设计的局部楼板，其xy方向地震作用下板配筋加强，根据yjk计算出的配筋结果，应力集中点处最大配筋840，实配1075。yjk板应力计算结果：x向小震下二层板主应力y向小震下二层板主应力x向中震下二层板主应力y向中震下二层板主应力4.5 抗震加强措施针对本工

18、程特点所采取的抗震加强措施主要包括以下几点：1).对于存在的扭转不规则问题：在结构布置时，抗侧力构件在平面中的布置力求均匀，避免过大的偏心。以上的计算结果显示扭转周期与第一自振平动周期比均在0.90以内。在进行施工图设计时，将对薄弱部位构件的设计采取提高构件延性的抗震构造措施，以充分适应地震作用时的承载力。2).对于凹凸不规则问题：按照小震弹性，中震不屈服的要求对楼板进行抗震设计，加厚洞口周边、平面转交楼板至150mm，适当提高楼板的配筋率，钢筋尽量按照细密的原则配置；楼板缺失部位周边梁柱适当提高配筋率。3).对于错层复杂结构的问题：在结构布置时，对错层部分竖向构件适当加厚，不低于250mm，提高抗震等级至一级,适当加厚错层处的楼板，提高楼板的配筋率。5、结论与建议综上所述，1）错层剪力墙结构受力复杂, 对结构抗震性能较差, 特别是住宅楼之类的建