武汉华侨城生态住宅社区位于湖北省武汉市武昌区中北东路 (欢乐大道) 东南侧, 规划总建筑面积583 394.54m², 主要包括高层、超高层住宅区及低密度区。T3号楼地上56层 (其中包含3层构架层) , 地下2层, 首层层高6.0m, 标准层层高3.15m, 地面以上结构总高度169.700m (不包含构架层) , 属于B级高度超高层建筑^[1]。建筑效果图如图1所示。

　　 本项目工程结构设计使用年限为50年, 结构安全等级为二级。抗震设防烈度为6度 (0.05g) , 设计地震分组为第一组, 抗震设防类为标准设防类, 场地类别为Ⅱ类, 特征周期T_g为0.35s。基本风压为0.35kN/m², 地面粗糙度类别为B类。本项目采用剪力墙结构体系, 剪力墙厚度为200～650mm, 混凝土强度等级采用C30～C60, 钢筋主要选用HRB400级热轧带肋钢筋。结构平面图如图2所示。

　　 本项目根据《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[1] (简称高规) 、《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[2] (简称抗规) 及《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》^[3]有关规定, 存在高度超限、扭转不规则及凹凸不规则等超限项, 属超限高层建筑, 具体超限项见表1。

　　 根据高规结构抗震性能设计方法, 结合本工程实际情况, 确定结构抗震性能目标为D级。D级抗震性能目标要求在小震、中震、大震作用下所对应的结构抗震性能水准分别为1, 4, 5。各构件抗震性能目标如表2所示。

　　 本工程弹性阶段的计算分析主要采用振型分解反应谱法, 使用的软件为YJK及MIDAS Building, 主要分析结果见表3。由表3可以看出, 两种软件分析结果基本一致, 各项指标均符合规范要求, 说明计算模型合理有效, 计算结果能够合理反映结构响应, 可作为工程设计依据。楼层剪力及层间位移角曲线分别如图3, 4所示。

　　 从图3可以看出, 楼层剪力无突变。从图4可以看出, 构架层层间位移角发生突变, 主要原因是由于相对于屋面层及标准层而言, 构架层剪力墙数量减少, 且无楼板拉结, 导致构架层整体刚度减小, 层间位移角变大。

　　 抗剪承载力比值是判断结构是否存在承载力突变的指标, YJK和MIDAS Building计算所得的本层与上一层抗剪承载力比值情况如图5所示。从图中可以看出, X, Y向的层间最小抗剪承载力比值均大于B级高度建筑在高规第3.5.3条中规定的0.75限值要求。

　　 楼层刚度比如图6所示。由计算结果可知, 普通楼层结构X, Y向与其相邻上一层的侧向刚度比值均大于高规规定的0.9, 满足高规要求。抽取典型结构楼层 (1层) 的侧向刚度比计算结果, 如表4所示, 其中1层层高大于相邻上一层层高的1.5倍, 由计算结果可知, 典型楼层侧向刚度比大于1.1, 满足高规要求。

　　 同时, 根据抗规第5.1.2条, 采用YJK软件进行小震弹性时程分析。按地震波三要素 (频谱特性、有效峰值和持续时间) 选取拟建场地上的5组天然波和2组人工波, 该7组地震波转换后的加速度反应谱的平均谱与设计所用的规范加速度反应谱在结构前3阶振型的周期点上基本吻合, 相差均在20%以内, 其频谱特性在统计意义上与规范谱相符。所选各条时程曲线计算所得的结构基底剪力与振型分解反应谱法 (CQC法) 计算的基底剪力的比较见表5。

　　 各楼层层间位移角曲线如图7所示。从图7可以看出, 7组地震波时程曲线计算所得层间位移角在结构大屋面以下的楼层比较平滑, 不存在突变现象, 说明结构各层刚度及质量分布较均匀。

　　 结构在中、大震作用下进入弹塑性状态, 部分结构构件已经屈服, 结构的整体阻尼会增大, 周期也会增长。根据高规第3.11.3条及其条文说明, 采用等效弹性方法计算竖向构件及关键部位构件的组合内力, 通过增加阻尼和折减连梁刚度的方法来近似考虑结构阻尼增加和刚度退化, 以反映结构较为真实的受力情况。各计算参数取值见表6。

　　 等效弹性分析结果表明, 中震作用下, 除小部分剪力墙配筋有较大幅度增加外, 大部分剪力墙配筋仍为构造配筋;大震作用下, 剪力墙计算配筋有较明显的增加, 但墙肢配筋仍在合理范围内。通过计算分析, 在中震及大震作用下, 关键构件的抗震承载力和普通竖向构件的受剪截面均满足高规第3.11.3条的要求, 结构可以达到预设的性能水准4, 5的目标。

　　 在中震作用下, 屋面层及构架层有少量剪力墙墙肢出现小偏心受拉, 但拉应力数值小于混凝土受拉强度标准值。根据高规第7.2.4条, 在进行构件性能化设计时, 对其进行弯矩、剪力放大。在进行罕遇地震下的弹塑性时程分析时, 对应墙肢并未出现塑性铰和明显的受剪破坏。在施工图设计时, 对应墙肢全高设置约束边缘构件, 边缘构件均按特一级抗震构造措施加强且按受拉处理此处钢筋的连接和锚固, 同时竖向及水平分布筋的最小配筋率取0.6%, 以增强剪力墙在地震作用中的延性。

　　 根据高规第3.11.3条, 性能水准5的结构应进行弹塑性计算分析。在罕遇地震作用下, 验算结构的抗震承载力、震后性能状况及结构薄弱部位的层间位移角是否满足设定的性能水准的要求。本工程采用PMPM SAUSAGE软件进行弹塑性时程分析, 弹塑性分析模型配筋采用SATWE计算结果, 同时考虑性能设计的结果。在进行大震作用下的弹塑性分析时, 选取1条人工地震波 (RGB1) 和2条天然地震波 (TRB1, TRB2) , 采用双向地震波输入, 主次方向地震波峰值加速度比为1∶0.85, 各地震波峰值加速度为125gal。

　　 根据高规第4.3.5条及其条文说明的要求, 多组时程曲线的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。所谓“在统计意义上相符”指的是多组时程曲线的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比, 在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20%, 本工程取前3阶振型的周期为主要周期点。计算结果如表7所示, 满足高规要求。

　　 根据高规第4.3.5条及条文说明的要求, 时程分析计算结果在结构主方向的平均底部剪力一般不小于振型分解反应谱法计算结果的80%, 每条地震波输入的计算结果不小于振型分解反应谱法计算结果的65%且不大于135%, 多条地震波输入的结果平均值不大于120%。所选各条时程曲线计算所得的结构基底剪力与反应谱基底剪力的比较如表8所示, 可以判定本工程所选用的地震波满足规范规定。

　　 各组地震波作用下的最大弹塑性层间位移角计算结果如图8所示。从图中可以看出, 在分别以X, Y向为主方向输入地震波时, 结构 (除构架层) 在罕遇地震作用下的X, Y向的最大层间位移角均能满足高规第3.7.3条限值1/133, 除构架层外均能满足高规第3.7.3条的相关规定。

　　 在大震作用下剪力墙基本完好, 本次分析以损伤最严重的RGB1波的结果为例, 描述结构关键构件和普通构件在地震波作用下的损伤情况。t=5s时, 结构底部偏中间部位的剪力墙和连梁开始出现轻微损伤;t=10s时, 开始在结构上部出现结构连梁损伤, 但为轻度损伤程度, 同时结构底部剪力墙损伤部位增加;t=15s时, 结构连梁损伤已经延伸到整个楼层, 但大部分都是轻度～中度损伤, 只有楼层底部部分连梁出现比较严重的损伤, 而与连梁相连的墙肢在连接部位也出现了比较明显的局部损伤;t=20～25s时段, 整个结构的连梁都表现出了较为明显的耗能, 楼层中连梁有部分发生比较严重损坏, 部分框架梁参与屈服耗能, 但均未发生严重损坏, 关键构件和普通竖向构件仅出现轻微～轻度的损伤;最后即t=30s时结构整体损伤情况与t=20s时的类似, 连梁和剪力墙损伤都没有明显增加。

　　 在弹塑性分析模型中, 剪力墙边缘构件采用简化集中配置。为真实反映连梁的受力性能, 在分析模型中将跨高比小于5的连梁全部用剪力墙开洞 (壳单元) 模拟, 并将连梁顶、底钢筋简化集中配置。在大震作用下剪力墙基本完好, 各墙肢损伤如图9所示。从图9可以看出, 由于结构设置了合理的剪力墙开洞形成连梁, 连梁在大震下损伤耗能效果明显, 从而保护了剪力墙, 大部分剪力墙未出现明显的损伤;底部加强区大部分剪力墙受压损伤因子小于0.1且损伤宽度小于50%横截面宽度, 因此综合判定墙肢出现轻微～轻度损伤, 满足预设的性能目标。需要注意的是当洞口上下是强连梁的时候, 与其连接的墙肢在连接部位局部损伤相对明显 (轻度) , 因此施工图设计时此部分墙肢的边缘构件需要适当加强。

　　 根据以上损伤分析结果可知, 在满足小震性能水准1和设防地震性能水准4的要求前提下, 底部加强区关键构件和一般部位的普通竖向构件均能够满足大震的性能水准5的要求, 耗能构件耗能明显, 能够起到预期的耗能机制作用。

　　 目前高层住宅结构以剪力墙为主要抗侧力结构, 根据《全国民用建筑工程设计技术措施 (2009) 结构 (混凝土结构) 》^[8]相关规定, B级高度的剪力墙结构不应在外墙开设转角窗。转角窗的设置取消了转角墙, 削弱了结构的扭转刚度, 导致转角窗处的构件在地震时受力更加复杂, 结构的抗震性能有所降低, 其安全性又直接影响建筑物角部甚至整体建筑的抗倒塌能力, 同时也极易产生“扭转不规则”的平面类型^[4]。但由于建筑功能的需要, 建筑师在建筑平面外墙转角处常采用转角窗, 以使用户充分享受室外绿化景观和满足室内采光要求。

　　 相关文献研究表明, 合理的角窗结构设计和构造措施能够保证转角窗处受力的合理性^[4,5,6]。在此次设计中, 分别通过对转角窗墙肢、转角梁以及转角窗处楼板采取相应措施来保证转角窗处受力的合理性, 进而提高结构的整体受力性能。

　　 由表3可知, 经计算结构扭转为主的第一自振周期T_t与平动为主的第一自振周期T_1x (T_1y) 的比值T_t/T_1x (T_t/T_1y) 均小于0.85, 结构的扭转刚度满足高规要求, 可以作为设计依据。由图2可知, 本项目转角窗洞口处两侧剪力墙设置了翼墙, 设置翼墙后结构刚度有所增加, 受压区面积减小, 轴压比也相应减小, 结构延性得到改善, 洞口两边墙肢裂缝数量减少, 抗震性能提高。同时转角窗上下均设置转角梁, 且角窗设计为非落地窗, 梁截面高度取上下窗台之间的净高, 加厚上下窗台板, 使两块窗台板和转角梁形成“[”字形梁, 与墙肢形成一个通过该梁的抗扭刚度来传递剪力和弯矩的抗侧力结构, 再加上斜向钢筋加强带使得整个结构抗震性能有较大的改善^[7]。此外, 转角处所在房间楼板内设置斜向拉结暗梁, 在一定程度上能够防止转角处的扭转应力使弱板产生扭转效应, 有效避免局部变形过大, 甚至挤坏脱落的可能。如果允许适当增加暗梁的截面高度, 便能有效增强角部纵横墙的协同工作的能力, 使结构抗扭刚度进一步增大。本工程转角窗具体加强措施如图10所示。

　　 由上述分析可知, 本工程结构能够满足D级抗震性能目标, 转角窗的设置并没有削弱结构的整体性能, 如图11所示。从图中可以看出, 转角窗处的墙肢并没有出现明显的损伤, 墙体保证了足够的完整性和刚度, 由此说明合理的角窗结构设计和构造措施能够保证转角窗处受力的合理性和结构的整体受力性能。

　　 (1) 武汉华侨城某超限高层住宅楼为B级高度的超高层建筑。依据高规采用YJK和MIDAS Building两种程序进行了小震及风荷载作用下的结构计算, 结果表明两者吻合较好, 结构各项指标均满足规范要求。

　　 (2) 采用等效弹性方法对结构进行中震、大震计算, 结果表明结构整体受力性能良好, 各构件能够满足所设定的性能目标。

　　 (3) 采用动力弹塑性时程分析方法对结构的大震弹塑性进行分析, 结果表明结构整体性能良好, 各项指标满足规范要求, 塑性开展程度满足性能目标要求。

　　 (4) 合理的角窗结构设计能够有效增强结构的抗扭刚度, 在一定程度上提高结构的整体抗震性能。