在高层建筑中,结构上部楼层相较于下部楼层收进和外挑比较常见,尺寸过大的收进和外挑均属于竖向不规则结构。历次震害经验表明 ^[1,2,3],结构刚度沿竖向突变可能会引起局部楼层变形和应力集中,影响结构安全。1995年,阪神大地震中,不少建筑出现中部楼层严重破坏的现象,其中一个重要的原因就是结构刚度在中部楼层出现突变:部分柱截面或其混凝土强度在中部楼层突然减小;部分剪力墙由于使用需求在中部楼层突然取消。

　　 由于建筑功能的需求,常出现错层结构。由于错层楼板不在同一标高,上下层楼面刚度出现突变,上下层平面刚度不重叠,地震作用在楼层之间易产生局部扭矩 ^[4]。错层处竖向构件的弯剪刚度与楼板相比较小,导致各区域联系微弱,当结构变形不协调时,可能会在错层中形成较大的内力。因此,采用错层结构,一方面削弱了楼板协调结构整体受力的能力,一方面导致错层柱或墙应力集中,在结构设计时需对错层部位重点加强。

　　 本文对某底部错层、顶部收进且扭转不规则的超限高层剪力墙结构进行研究,提出相应的抗震加强措施,并进行性能化分析,检验结构的抗震能力。

　　 结构模型图及建筑效果图见图1,本文主要分析建筑左侧单体(效果图中左侧虚线圈出部分,与右侧单体通过防震缝分开)。项目30层,结构高度为91.95m(不包含顶部塔楼突出部分),抗震设防烈度为7度(0.1g),场地类别为Ⅲ类,剪力墙抗震等级为二级,结构28层(高度85.85m)以上平面具有一定程度的收进,结构标准层平面布置如图2所示。

　　 根据《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) ^[5]的规定,结构存在以下不规则项:1)Y向考虑偶然偏心的最大扭转位移比为1.28,大于1.2;2)4层Y向偏心率为0.47,大于0.15;3)底部3层存在错层;4)28层以上结构剪力墙收进大于25%。

　　 结构底部存在错层(图3),应对结构重要部位构件如底部加强区的剪力墙和框架柱按照更高的性能目标进行设计。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010) ^[6](简称高规)第10.4.6条,将错层处平面外受力的剪力墙抗震等级提高至一级,墙截面厚度不小于250mm,水平和竖向分布钢筋配筋率不小于0.5%。

　　 剪力墙在28层以上收进(图4),此处竖向构件突变处可能会形成结构的薄弱部位,根据高规第10.6.5条,在设计中将收进部位及其上下2层的竖向构件抗震等级提高至一级,分析竖向收进对模型的影响。

　　 参照高规,本工程抗震性能目标设定为C级。底部加强区剪力墙小震弹性,中震抗剪弹性、正截面承载力不屈服,大震允许进入塑性,控制截面剪压比,弹塑性层间位移角满足不大于1/120。

　　 采用YJK与ETABS两种软件对结构的整体指标进行计算对比,具体结果如表1所示。可以看出,两种软件的计算结果基本相符,认为计算模型正确有效,采用两种软件结果进行包络设计。

　　 结构在28层以上竖向构件收进,分别建立剪力墙收进结构模型(简称模型A)与剪力墙不收进结构模型(简称模型B),见图5,6。对比两个模型的计算结果和构件内力,评估上部2层局部收进对结构的影响。

　　 图7和图8分别为地震作用及风荷载作用下模型A,B层间位移角对比情况。可以看出:因28层以上部位剪力墙收进,模型A的质量和刚度同时减小:其中X向刚度降低程度大,因此层间位移角较模型B增大,地震作用下顶层层间位移角放大1.34%,风荷载作用下顶层层间位移角放大4.48%;Y向刚度降低程度小,因此模型A的层间位移角较模型B减小,地震作用下顶层层间位移角减小11.23%,风荷载作用下顶层层间位移角减小9.15%。模型A,B受剪承载力比如图9所示。可以看出剪力墙收进后,28层受剪承载力比增大85%,30层受剪承载力比降低46%,但仍能满足规范要求。

　　 图10和图11为剪力墙Q1,Q2在收进部位上下几层的剪力(剪力墙编号见图2)。可以看出:剪力墙收进后,Q1墙在28层以上剪力有所增加,29层增加幅度最大,达到28%。27层以下剪力基本相当;Q2墙在27,28层剪力有较大程度的增加,28层增加幅度最大,达到207%;剪力墙收进后,收进位置下部几层对应墙肢剪力增大,非收进位置在收进层以上剪力有所增大,施工图设计时应进行多遇地震下的动力时程分析,收进部位剪力墙楼层剪力应按照时程分析与CQC结果包络设计。

　　 图12为中震作用下28,29层楼板主拉应力。可以看出楼板主拉应力均小于楼板混凝土(C30)的抗拉强度标准值(2.01MPa)。

　　 综上,上部竖向构件收进对结构整体性能指标影响不大,对收进楼层的局部构件采取加强措施可确保结构安全。

　　 由于底部错层部位的刚度存在局部变化,剪力墙可能在大震作用下出现较大的拉应力。对于高层、超高层建筑,底部剪力墙经常需要配置型钢(或钢板),同时《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) ^[5]也要求剪力墙拉应力过大时宜配置型钢,在计算剪力墙平均拉应力时,可以考虑型钢(或钢板)的作用,其考虑方式是将型钢(或钢板)的弹性模量折算为混凝土的弹性模量,如下式所示:

　　 $\sigma {}_{\text{t}}=\frac{{\rm N}{}_{\text{t}}}{A{}_{\text{c}}+\frac{E{}_{\text{s}}}{E{}_{\text{c}}}\cdot A{}_{\text{s}}}$

　　 式中:N_t为剪力墙承受的拉力;A_c为剪力墙混凝土截面面积;A_s为剪力墙中型钢(或钢板)截面面积;E_c,E_s分别为混凝土和钢材的弹性模量。

　　 结构首层剪力墙应力比及最大拉力如图13所示。可以看出局部拉应力大于f_tk(墙肢W1,W2),需要设置型钢。在结构拉应力较大部位布置型钢后,计算所得的平均名义拉应力如表2所示。此时,剪力墙的拉应力由型钢承担,从而保证底部剪力墙的抗震性能和结构安全。

　　 为分析结构在底部错层和顶部收进部位大震作用下的抗震性能,采用YJK-EP软件对结构进行罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析,根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)的要求选取两组天然波(Big-Bear波,Cape-Mendocino波)和一组人工波(Art Wave波),地震波采用双向输入(主、次方向输入峰值加速度比例为1∶0.85),主向峰值加速度为220gal。

　　 表3给出了各组地震波输入时,结构各主方向弹塑性最大层间位移角。以X向为主向输入地震波,结构最大层间位移角包络值1/232,以Y向为主向输入地震波,结构最大层间位移角包络值1/186。两个方向最大层间位移角均小于1/100的规范限值,并满足小于1/120。

　　 大震弹塑性分析的基底剪力与小震反应谱(CQC)分析的基底剪力对比如表4所示。大震弹塑性时程分析的基底剪力是小震弹性CQC分析的基底剪力的3.05～4.66倍,地震力在合理范围内,反映大震作用下结构整体耗能能力较好。

　　 图14为Art Wave波作用下顶部收进部位、底部错层部位混凝土受压损伤情况。由于钢筋拉、压几乎没有损伤,故只给出混凝土受拉损伤云图。由图可见:1)结构顶部收进部位混凝土没有出现明显的损伤,基本处于弹性范围内;2)结构底部错层部位剪力墙大部分完好,局部出现较大损伤,损伤因子最大值为0.75,在施工图设计阶段应对该处剪力墙提高配筋率,确保剪力墙在大震作用下的抗震性能;3)错层连接部位的梁出现较为严重的损伤,后期施工图设计中应对该区域梁适当增加纵筋、箍筋等受力钢筋的配筋面积或采用钢骨混凝土梁以提高其的抗震性能。

　　 (1)结构收进和错层使结构竖向不规则,有可能会形成刚度突变、局部应力或变形集中,在结构设计中需要采取相应措施予以重点加强。以某底部错层、顶部收进且扭转不规则的超限高层剪力墙结构为例,提出了底部和顶部结构设计的加强措施:将错层处平面外受力的剪力墙抗震等级提高一级,墙截面厚度不小于250mm,水平和竖向分布钢筋配筋率不小于0.5%;将顶部收进部位上下2层竖向构件抗震等级提高一级。

　　 (2)针对底部错层、顶部收进的高层剪力墙结构,顶部剪力墙收进后,收进位置下部几层对应墙肢剪力增大,非收进位置在收进层以上剪力有所增大,但各项指标均能满足规范要求;结构底部错层部位剪力墙大部分完好,局部出现较大损伤,错层连接部位的梁出现较为严重的损伤。后期施工图设计中应对损伤较大的剪力墙加大配筋率,对损伤较大的梁适当增加纵筋、箍筋等受力钢筋的配筋面积或采用钢骨混凝土梁以提高其抗震性能。