轉載自建築結構《三金潭超限高層住宅結構設計》作者：李必雄， 侯國求， 池碧波

［摘要］ 三金潭車輛段綜合開發項目地處抗震不利地段，A 地塊有11 棟塔樓和裙房( 含商業、社區服務中心及幼兒園) ， 11 棟塔樓均采用鋼筋混凝土剪力牆結構體系，且有9 棟塔樓為B 級高度，存在高度超限和扭轉不規則、凹凸不規則兩項平面不規則情況。綜合考慮場地特點、超限程度及分析結果，設定住宅塔樓的抗震性能目标為D 級。采用YJK，ETABS 和PEＲFOＲM-3D 等軟件對超高層住宅群進行了小震、中震和大震作用下的計算分析。結果表明，塔樓結構布置合理，地基處理及加強措施安全可靠，結構整體能滿足設定的抗震性能目标。

［關鍵詞］ 超限高層建築; 地基處理; 性能化設計; 動力彈塑性時程分析

三金潭車輛段綜合開發項目位于武漢市東西湖區碧水大道與金潭路之間。項目地塊被地鐵3号線的聯絡線切為A，B 兩塊用地，本文僅對A 地塊作詳細介紹，建築效果圖見圖1。A 地塊組成情況: 2 棟45 層超高層住宅( A1，A2 ) ，結構高度135. 3m; 2 棟50 層超高層住宅( A10，A11) ，結構高度154m; 7 棟55 層超高層住宅( A3 ～ A9) ，結構高度169. 45m; 裙房由1 棟4 層商業服務中心、1棟5 層社區服務中心和1 棟5 層幼兒園組成。除A1，A2 塔樓與架空車庫大平台不相連外; A3 ～ A11塔樓及裙房均位于架空車庫大平台上。A 地塊規劃總用地面積為93 800m2，容積率為3. 36，計容總建築面積為315 600m2。

項目場地被地鐵聯絡線及咽喉區打斷，聯絡線高于地面标高，本項目A3 ～ A11 塔樓及裙房通過架空處理，将住宅入戶标高擡高至地上10m 處，地上1層( 即蓋下1 層，層高3. 9m) ，地上2 層( 即蓋下2層，層高5. 2m) 為架空車庫，從地上3 層開始為普通住宅層，層高3. 0m; 每棟塔樓根據要求設置2 或3個避難層，層高3. 15m; 各塔樓頂均設有10m 高構架。所有建築僅在塔樓範圍内設兩層地下室，地下1 層層高3. 0m，地下2 層層高4. 2m。典型塔樓( A11) 建築剖面圖圖2。

11 棟超高層住宅均采用鋼筋混凝土剪力牆結構體系，樓屋蓋采用鋼筋混凝土梁闆體系。地下室剪力牆厚度為400mm 或350mm; 地上外圈剪力牆厚度由底部350mm 或300mm 逐級收進至頂部200mm，内部牆體厚度由底部300mm 或250mm 逐級收進至頂部200mm。剪力牆混凝土強度等級由地下室C50 逐步變成頂部C30。塔樓範圍外架空車庫為框架結構，框架柱截面為600×600。框架柱混凝土強度等級為C40。

每棟塔樓邊均設置防震縫與架空車庫大平台脫開，如圖3( a) 所示，這樣塔樓可按獨棟單塔進行設計。整個超長架空車庫大平台用四條伸縮縫切分為5 個單元，如圖3( b) 所示，并在每個單元内設置後澆帶和膨脹加強帶，可有效控制溫度應力。典型塔

圖2 典型塔樓( A11) 建築剖面圖

樓( A11) 标準層建築平面圖和結構平面圖如圖4、圖5 所示。

3. 1 基礎選型

塔樓範圍内采用樁筏基礎形式，筏闆厚3m，樁型為鑽孔灌注樁，樁徑均為1 000mm，樁身混凝土強度等級為C45。單樁豎向承載力特征值Ｒa =8 560kN，為減少樁底沉渣，提高樁的承載力，采用樁底後壓注漿。

塔樓樁基持力層為⑩－1中風化灰岩或⑩－2中風化泥灰岩，有效樁長約為42～73m。工程樁施工時逐樁進行施工勘察，勘察鑽孔進入樁端下完整岩石的深度不小于5m。裙樓範圍采用獨立樁基礎形式，承台厚1. 5m，樁型為鑽孔灌注樁，樁徑均為700mm，樁身混凝土強度等級為C35。單樁豎向承載力特征值Ｒa =3 300kN，為減少樁底沉渣，提高樁的承載力，也采用樁底後壓注漿。

3. 2 地基處理

根據地勘報告［1］，場地覆蓋層20. 0m 深度範圍

内等效剪切波速為119 ～ 139m/s，小于150m/s。且局部區域塔樓( A10，A11) 下部覆蓋層厚度大于80m，評定為Ⅳ類場地; 其餘塔樓下部覆蓋層厚度均為50 ～ 80m，評定為Ⅲ類場地。鑒于此，對塔樓A10，A11 筏闆範圍外不小于1m 的土體采用高壓旋噴樁進行咬合加固處理。高壓旋噴樁樁徑為600mm，樁中心距0. 5m，樁長20m，采用格構式布置。布置方式如圖6 所示。

由于塔樓A1～A9 範圍下部土層等效剪切波速小于150m/s，按不利原則考慮，該場地土類型為軟弱土，判定該建築場地為抗震不利地段，需采取有效工程措施。根據專家意見，采取以下加強措施:

( 1) 鑽孔灌注樁進③－2淤泥質黏土層範圍内的樁身箍筋全部加密。

( 2) 對筏闆下5m 深度範圍内采用樁徑為500mm 的高壓旋噴樁進行地基處理，樁間距為1. 0m，行列式布置。樁底進入③－2淤泥質黏土層下卧的④－2黏土層0. 5m，且最小樁長≥13. 0m( 樁長從筏闆底起算) ，處理範圍不小于筏闆周邊1. 0m。處理後複合地基承載力特征值不小于110kPa。

按此方法處理後，進行現場剪切波原位測試和地脈動觀測，覆蓋層20m 深度範圍内的等效剪切波速可達到180m/s，大于150m/s，建築場地類别可以劃為Ⅲ類。該處理方法，經過多次專家論證及現場實測，證明是可行的。處理之後，整個場地均為Ⅲ類場地，特征周期取為0. 45s。

4. 1 主要設計參數

本工程結構設計基準期和設計使用年限均為50 年，建築安全等級為一級，抗震設防類别為标準設防類( 丙類) 。建築抗震設防烈度為6 度，設計地震基本加速度為0. 05g，設計地震分組為第一組。剪力牆的抗震等級: 地下2 層和地上5 層為二級，其餘均為三級。結構計算模型的嵌固層設在蓋下1 層( 标高－10. 000m) ，基礎設計安全等級為一級，基礎和樁基設計等級均為甲級。

4. 2 荷載取值

結構樓屋面恒載根據建築面層做法取值。樓屋面活載标準值根據《建築結構荷載規範》( GB50009—2012) ［2］( 簡稱荷載規範) 取值。風荷載根據荷載規範和《高層建築混凝土結構技術規程》( JGJ 3—2010) ［3］( 簡稱高規) ，結構位移計算時采用50 年重現期風壓0. 35kN/m2，結構承載力計算時采用50 年重現期風壓的1. 1 倍，阻尼比采用0. 05。風荷載體型系數取為1. 54( 考慮風力相互幹擾的群體效應，幹擾系數取1. 1) ，均考慮結構橫風向風振和扭轉風振的影響。

業主委托湖南大學風洞實驗室進行了風洞試驗［4］。試驗共進行24 個風向角的模型風壓測試，試驗模型如圖7 所示。

風洞報告［4］提供了24 個風向角下樓層的等效靜力風荷載值及各塔樓最不利風向角。對比風洞試驗得到的最不利風向角下等效靜力風荷載值與按荷載規範方法計算的風荷載标準值，最終結構設計采用荷載規範計算風荷載與風洞試驗結果的包絡值對構件進行強度設計及整體位移變形控制。

地震作用: 根據《建築抗震設計規範》( GB50011—2010) ( 2016 年版) ［5］( 簡稱抗規) 和《中國

地震動參數區劃圖》( GB 18306—2015) ［6］( 簡稱地震動參數區劃圖) ，抗震設防烈度6 度( 0. 05g) ，設計地震分組為第一組，場地類别為Ⅲ類，地震動參數如表1 所示。

根據表1 對比結果，設計時按地震動參數區劃圖取值，即小震地震影響系數最大值取0. 054 2，特征周期為0. 45s，阻尼比為0. 05; 大震地震影響系數最大值取0. 350 8，特征周期為0. 50s。

4. 3 超限情況

根據抗規和《超限高層建築工程抗震設防專項審查技術要點》( 建質［2015］67 号) ［7］相關規定，本項目除A1，A2 塔樓外，其餘各塔樓均存在高度超限和扭轉不規則、凹凸不規則兩項平面不規則情況，如表2 所示。因此判定A3 ～ A11 塔樓為高度超限的超限高層建築，需要對結構抗震設計進行專項論證。

針對上述超限項，根據高規并參考抗規，本工程結構抗震性能目标确定為D 級，具體構件抗震性能目标如表3 所示。

4. 4 結構計算分析

4. 4. 1 小震彈性分析

本工程采用YJK1. 8. 3. 0( 簡稱YJK) 進行結構整體計算、分析與設計; 采用ETABS 2016( V16. 1. 0) ( 簡稱ETABS) 進行對比計算、分析，複核YJK 計算與設計結果; 并采用YJK 進行小震彈性時程分析，作為振型分解反應譜法( CQC 法) 的計算補充。限于篇幅，僅列出典型塔樓( A11) 結構整體計算結果，如表4 所示。由表可知，兩種不同軟件計算的結構總質量、振型和周期基本一緻，基底剪力、層間位移角和位移比基本一緻，計算結果滿足高規、抗規要求。在小震作用下，本工程可滿足性能水準1 的要求。

作為CQC 法的計算補充，本工程選用5 條天然波( NO1 ～ NO5 波) 和2 條人工波( NO6，NO7波) 進行彈性時程分析。地震波時程主方向加速度峰值取22gal，次方向加速度峰值取18. 7gal，結構阻尼比取0. 05。7 條波的平均譜與規範譜的地震影響系數曲線在前3 階周期的對應地震影響系數值相差均不超過20%，滿足在統計意義上相符的要求，如圖8 所示。典型塔樓( A11) 彈性時程分析和CQC 法計算的樓層剪力及層間位移角對比分别如圖9、圖10 所示。由圖可知，兩種方法計算結果基本吻合。對于時程分析統計的平均樓層剪力大于CQC 法的樓層剪力的情況，在進行構件承載力及配筋計算時，利用YJK 的樓層地震力調整系數對樓層剪力進行相應調整，但此調整不用于整體指标的計算。

4. 4. 2 中震和大震等效彈性分析

采用YJK 對結構進行中震、大震等效彈性分析設計，對滿足一定條件( 如不屈服或彈性) 的結構構件進行承載力的設計驗算。等效彈性設計參數如表5 所示。

根據設定的性能目标，中震作用下，對關鍵構件進行受剪承載力驗算及正截面受彎承載力驗算，對普通豎向構件進行抗剪截面驗算，對耗能構件進行正截面承載力及抗剪截面驗算。計算結果表明，關鍵構件均滿足正截面不屈服、抗剪不屈服的性能目标; 普通豎向構件滿足抗剪截面的要求; 少數耗能構件進入屈服; 典型塔樓( A11) 結構X 向地震作用下最大層間位移角為1 /833，Y 向地震作用下最大層間位移角為1 /543，層間位移角均小于小震彈性層間位移角限值1 /961 的3 倍，結構具有較好的剛度。由此可見，在中震作用下本工程可滿足性能水準4的要求。

大震作用下，對所有構件進行正截面承載力及抗剪截面驗算。計算結果表明，塔樓外圈關鍵構件出現正截面屈服，但滿足抗剪截面的要求; 少量普通豎向構件( 短牆肢) 進入屈服，但滿足抗剪截面的要求; 部分耗能構件出現破壞; 典型塔樓( A11) 結構X向地震作用下最大層間位移角為1 /314，Y 向地震作用下最大層間位移角為1 /234，層間位移角均滿足1 /133 的限值要求，結構在大震下仍具有較好的抗側剛度。由此可見，在大震作用下本工程可滿足性能水準5 的要求。

典型塔樓( A11) 在小震彈性、中震不屈服和大震不屈服作用下的X 向及Y 向層間位移角對比見圖11。

4. 4. 3 大震動力彈塑性時程分析

采用PEＲFOＲM-3D 軟件對A3 ～ A11 塔樓進行動力彈塑性時程分析，考察結構在大震作用下的反應，評估其抗震性能。時程分析選用武漢地震工程研究院有限公司提供的5 組天然波( NO1 ～NO5 波) 和2 組人工波( NO6，NO7 波) ，地震峰值加速度為140gal，有效持時均大于5 倍結構第一自振周期。

以典型塔樓( A11) 為例，通過分析得出以下結果: 1) 梁構件出現較多的塑性鉸，起到耗能作用，導緻結構剛度退化，彈塑性時程分析的平均樓層剪力小于等效彈性分析的，如圖12 所示; 2) 按抗規3. 10. 4 條條文說明換算的彈塑性最大層間位移角:X 向為1 /312，Y 向為1 /239，均小于限值1 /133 的要求，如圖13 所示。

構件性能水準與屈服狀态: 底部加強區剪力牆( 關鍵構件) 部分牆肢出現塑性，但未超過IO 水準，均滿足大震不屈服的要求; 非底部加強區剪力牆( 普通豎向構件) 主體部分牆肢未超過IO 水準，滿足大震不屈服的要求，出屋面構架牆肢超過IO 水準，進入屈服狀态，但均未超過CP 水準，滿足大震不倒的要求。基于轉角及材料應變的剪力牆抗震性

圖13 7 條波彈塑性時程分析的換算層間位移角對比

圖14 剪力牆損傷與變形示意

能評價如圖14 所示。框架柱( 普通豎向構件) 受彎均未屈服，剪切應力均小于0. 15fck( fck為混凝土軸心抗壓強度标準值) ，滿足正截面不屈服與抗剪截面的性能要求; 普通樓面梁和連梁( 耗能構件) 受彎性能部分超過LS 水準，已經屈服，但均未達到CP水準，少量樓面梁與連梁剪應力超過0. 15fck，出現受剪破壞，起到耗能效果。罕遇地震下動力彈塑性分析出鉸順序為: 連梁彎曲—框架梁彎曲—連梁剪切; 結構耗能以連梁為主，框架梁為輔，與設計意圖相符。

結構薄弱區分析: 出屋面構架部分剛度較弱，且大震作用下鞭梢效應明顯，因此該部位容易形成薄弱環節; 底部加強區局部短牆肢抗彎能力較差，容易形成薄弱區，需提高剪力牆配筋率，加強面内外抗震性能。大屋面支承構架剪力牆的梁構件，受到較大的剪力，出現剪壓比不滿足要求的情況，形成抗剪薄弱區，該部分梁需加大截面，并提高配箍率。結構薄弱區如圖15 所示。

( 1) 所有塔樓底部6 層出現拉應力的角部牆肢按特一級抗震構造措施進行構造，牆肢水平和豎向分布筋最小配筋率取0. 4%，約束邊緣構件縱向鋼筋最小構造配筋率取1. 4%，配箍特征值增大20%。

( 2) 剪力牆底部加強區水平和豎向分布鋼筋的最小配筋率按0. 3%進行設計; 約束邊緣構件縱向最小配筋率按1. 2%進行設計，即底部加強區剪力牆抗震構造措施提高為一級。

本工程11 棟超高層住宅塔樓，根據超限情況，采用抗震性能設計方法，對不同部位構件指定合理的性能目标，并進行了大量的計算分析，同時适當加強抗震構造措施，确保本工程結構在小震、中震和大震作用下各項指标均滿足規範要求，不同部位構件能夠達到預期的抗震性能目标。本工程9 棟超限塔樓( A3 ～ A11) 已于2018 年8 月通過湖北省超限高層審查，現正處于施工階段。

［1］ 武漢市軌道交通8 号線一期工程三金潭站車輛段配套綜合物業開發項目設計一期岩土工程勘察報告( 詳勘) ［Ｒ］． 武漢: 湖北省神龍地質工程勘察院， 2018．

［2］ 建築結構荷載規範: GB 50009—2012［S］． 北京: 中國建築工業出版社， 2012．

［3］ 高層建築混凝土結構技術規程: JGJ 3—2010［S］． 北京: 中國建築工業出版社， 2011．

［4］ 考慮周邊環境下三金潭車輛段上蓋物業開發項目A區等效靜力風荷載與風振分析研究報告［Ｒ］． 長沙:湖南大學， 2018．

［5］ 建築抗震設計規範: GB 50011—2010［S］． 2016 年版．北京: 中國建築工業出版社， 2016．

［6］ 中國地震動參數區劃圖: GB 18306—2015［S］． 北京:中國标準出版社， 2015．

［7］ 超限高層建築工程抗震設防專項審查技術要點: 建質

［2015］67 号［A］． 北京: 中華人民共和國住房和城鄉建設部， 2015．

［8］ 張微偉．某超限高層住宅結構抗震設計［J］．建築技術開發， 2013， 40( 8) : 6-10．

［9］ 賈文文，李遠輝．某超限高層住宅結構的彈塑性對比分析研究［J］．建築結構， 2012， 42( S1) : 132-135．

［10］ 段海濤，徐豔軍，王玥．某超限高層住宅結構的整體計算分析［J］．建築結構， 2012， 42( S1) : 281-286．

注：本文轉載自建築結構《三金潭超限高層住宅結構設計》作者：李必雄， 侯國求， 池碧波，僅用于學習分享，如涉及侵權，請聯系删除！

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