高烈度区超高层蝶形剪力墙结构设计研究（建筑）
刘 军1,2， 李廖兵2， 吉 荀2
（1东南大学土木工程学院，南京210096；2紫杉建筑设计股份有限公司，昆明650051）
[摘要] 以抗震设防烈度为8度(0.2g)的某超高层蝶形剪力墙结构为实例，其结构布置方式采用剪力墙束筒布置。分别选用SATWE，YJK，MIDAS等软件对结构进行计算，包括小震抗震分析及弹性时程分析、中震抗震分析、罕遇地震静力推覆分析。结果表明，结构各项指标均能满足规范要求，能够实现“大震不倒”的抗震设防目标；讨论了剪力墙墙肢拉应力控制问题，提出在普通结构中将剪力墙拉应力控制过严是不合适的。
[关键词] 高烈度；剪力墙结构；蝶形；超限分析；墙肢拉应力；Pushover分析
中图分类号：TU318 文章编号：1002-848X(2016)09-0025-04
1 工程概况
昆明市抗震设防烈度为8度，设计地震分组为第三组，属高烈度地区。近年来，随着城中村改造项目的进展，建成了大量B级高度的住宅剪力墙结构，在昆明地区过往的超高层住宅中，均为每层十余户的塔式建筑。虽然塔式建筑的抗震性能好，但建筑户型较差，居住体验及市场接受度均欠佳。中海芸景花园项目位于昆明市五华区，由8栋40~44层的超高层、4栋15~18层的高层住宅及1栋3层幼儿园组成，中海芸景花园总平面图见图1。住宅下满堂布设两层地下车库。为适应市场需求，该项目8栋超高层住宅全部采用蝶形户型，这为高烈度地区的结构设计带来了一定难度。以8#楼为例，简述对超高层蝶形剪力墙结构的若干处理细节以及对高烈度区工程的分析过程，供同类工程参考。8#楼建筑效果图及剖面图见图2。
该工程结构设计使用年限为50年，安全等级为二级，场地类别为Ⅱ类。抗震设防烈度为8度，设计地震分组为第三组，设计基本地震加速度为0. 20g，抗震设防类别为丙类。
2 结构布置
8#住宅楼采用剪力墙结构，房屋结构高度为127. 6m。在高烈度地区，剪力墙结构的设计难度体现在水平层间位移角难以满足规范要求、墙肢及连梁超限严重等方面。对于超高层剪力墙结构来说，由于需要在满足规范指标的同时获得合理的经济性，又因剪力墙结构位移限值指标要求严格，故设计者往往需要经历多次试算以协调刚度、位移、承载力之间的关系。
该项目8#楼在结构方案设计之初，尝试了多个结构方案之后确定了结构平面布置，如图3所示。结构布置时，根据建筑房间和功能的需求，在角部和边部布置了剪力墙，通过强连梁连接形成房间简体，简体间又通过连梁连接形成了类似于简体一连梁的束筒结构，产生了良好的束筒效应，很好地满足了规范对小震作用下层间位移角的要求。采取此方案后，结构底部剪力墙除外围为300mm厚外，内部剪力墙厚均为250mm，用合理的结构布置获得了较大的刚度。8#楼主要结构构件尺寸如表1所示。
3 超限判定及性能目标
该工程存在两项超限：1）扭转不规则。扭转位移比大于1.2。2）凹凸不规则。对于蝶形建筑，由于建筑专业一般会在中部连接部位布置楼电梯井，结构处理不当会导致该楼板不连续，如图3所示。本工程在楼电梯部位布置了两个筒体，洞口通过连梁连接。处理后，楼板开洞部位被侧向刚度很大的简体包围，有利于传递水平力，可不按楼板开洞对待。但是，尽管对楼电梯井做了上述处理，设计时除了加强楼电梯井墙体配筋外，还应采用MIDAS软件对其附近的楼板（图3中斜线范围内板）按中震弹性进行应力验算，验算结果见图4。
由图4可以看到，筒体周边楼板并没有出现应力突变的情况，整体应力分布均匀。在实际设计中，出于安全考虑，将筒体周围的楼板加厚至150mm。由MIDAS读取中部楼电梯筒体附近楼板最大拉应
双层双向
8@ 150(670mm2)，即能保证该区域楼板应力验算满足设定的性能目标要求。
由以上分析可知，该工程为平面不规则，竖向规则的B级高度剪力墙结构，属于国家规范规定范围内的建筑，严格按规范设计即可；对蝶形平面中部较薄弱的楼板部位采取了加强措施，并提出了中震弹性的性能目标要求。本项目复核了中震作用下剪力墙墙肢的名义拉应力，发现仅结构周边局部墙肢存在受拉情况，拉应力一般在1.0~2.5倍混凝土抗拉强度标准值之间，关于墙肢拉应力控制讨论见第5节。对于出现小偏心受拉的墙肢，施工图设计时对弯矩及剪力均按放大1. 25倍进行配筋，并采用提高其抗震构造措施的方式进行处理。
4 计算分析
4.1弹性计算
分别采用SATWE和YJK软件对结构进行弹性分析，弹性阶段的分析采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法，并考虑偶然偏心的影响，弹性分析结果见表2。
由表2可知，两种软件计算得到的主要指标结果差值较小，且变化趋势一致，计算结果均满足《高层建筑混凝土结构技术规程》( JGJ 3-2010)（简称高规）要求，可用于设计。另外，周期比T3/T1=0. 620 5，远小于0.85，可见此类蝶形住宅由于平面形状的原因具有较强的抗扭刚度，但扭转位移比一般情况下较难控制在1.2以下，可见其扭转位移具有不均性。本工程X向和Y向最大位移比分别为1. 33和1.20，仅个别楼层的最大位移比大于1.2，但均小于1. 40。计算时分别考虑了沿平面斜向构件的4个附加地震作用。
4.2弹性时程分析
采用YJK软件对结构进行弹性时程分析，小震下结构的弹性时程分析选用的人工波如下：
ARTWAVE-RH2TG045（人工波1）、ARTWAVE-RH3TG045（人工波2）；选用的天然波如下：TH4TG045（天然波1）、Chi-Chi,taiwan-06_N0_3301（天然波2）、Chi-Chi，Taiwan-06_N0_3276(天然波3)、Kobe，Japan—NO一1119（天然波4）、KAR-3Karakypoint（天然波5），并根据《建筑抗震设计规范》( GB 50011-2010)（简称抗规）表5.1.2.2要求对峰值加速度进行调整。通过弹性时程分析，结果见表3，均满足抗规要求。
4.3静力弹塑性分析
本工程采用PKPM系列软件中的PUSH&EPDA对结构进行静力弹塑性分析。倒推荷载类型为倒三角形，基底剪力与总重的比值为1，水平地震影响系数最大值a max=0.9，特征周期T g=0.5s，弹性状态阻尼比为0. 050。8#楼倒塌结果验算曲线见图5。大震作用下，连梁从下至上大部分出现了塑性铰，部分框架梁出现了塑性耗能，剪力墙较少出现少量斜压裂缝。从塑性耗能上来看，该结构很好地实现了剪力墙结构多道防线的耗能顺序。从结构整体来看，结构有较大变形，但尚未倒塌，满足“大震不倒”的要求。从图5中亦可看出，性能点处结构的能力曲线仍有上升趋势，表明结构在大震作用下仍有一定的安全储备。X，Y向性能点处对应的层间位移角分别为1/124，1/130，满足高规中弹塑性层间位移角小于限值1/120的要求。
5 剪力墙墙肢拉应力控制讨论
中震作用下剪力墙墙肢拉应力的控制是近年来结构设计的一个热点问题。该问题起源于《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（建质[2010] 109号）第12条。在许多地区，该条文被扩大使用，对一些体形规则且高度不大的普通结构也被审图人员要求验算拉应力。有些地区在进行施工图审查时甚至要求验算小震作用下的墙肢拉应力，稍作思考即可知在弹性阶段控制墙肢拉应力显然是没有必要的，因为规范关于墙肢在小震作用下的公式计算就是以混凝土处于弹性状态为基准推导出来的，所以满足小震弹性后再反过来验算墙肢拉应力明显是多余的。而更为严格的是将中震作用下墙肢拉应力控制范围护宽至普通结构，也明显是控制过严或不合适的。究其原因是由于基本概念的混淆，许多人认为小偏心受拉剪力墙开裂后，不能继续承担剪力，认定剪力墙受拉开裂后立即失效，且开裂后钢筋不能继续承载，需由型钢或钢板承担。但是，混凝土结构本身就是带裂缝工作的，裂缝在《混凝土结构设计规范》( GB 50010-2010)（简称混凝土规范）允许范围内时，并不影响其继续承载。其次，由混凝土裂缝计算公式可知，控制混凝土构件开裂的关键是控制钢筋的拉应力而不是控制混凝土的拉应力。再者，由混凝土规范式(6.3.14)可以看出，构件正截面承载力计算时本身就不考虑混凝土的受拉承载力贡献。另外，由该公式还可看出，全截面受拉开裂的钢筋混凝土构件只要裂缝宽度在规范范围内，是可以继续承担剪力的，因为受剪斜裂缝斜向开展，构件未开裂的混凝土以及水平钢筋提供了构件的受剪承载力。相比受弯构件，偏心受拉构件的受剪承载力有明显的降低，但规范公式已根据试验结果偏保守地考虑了减去轴向拉力所降低的受剪承载力设计值。可见，对于普通结构，若把剪力墙所受拉应力控制在混凝土轴心抗拉强度标准值f t k以下，无疑是概念混淆且超出规范控制的。
6 结论
(1)本工程为B级高度蝶形剪力墙结构住宅，根据工程特点，设计采取一系列处理方法，使之达到规范三水准设防要求，满足抗震安全的同时又实现了业主对户型平面布置的要求，取得了良好的经济效益。
(2)对于高烈度地区的蝶形住宅，由于平面形状的原因，一般具有较强的抗扭刚度，但扭转变形具备不均匀性的特点。
(3)讨论了剪力墙拉应力控制的问题，建议在规范范围内的普通结构放宽或取消对剪力墙墙肢拉应力的控制。
本工程已顺利通过超限审查，现已进入施工阶段，进展顺利。
