某超限高層的抗震設計分析

鄭建峰

(山西省建筑設計研究院，山西太原 030013)

1 工程概況

某醫院綜合住院樓，主樓地上17層，地下1層(包括1層設備層);裙樓地上5層，地下1層(包括1層設備層)。主樓建筑總高度69.09 m;裙樓建筑總高度21.99 m。該工程主體采用框架—剪力墻結構，基礎采用鋼筋混凝土梁板式筏形基礎，所有樓板均采用現澆鋼筋混凝土樓板。根據《建筑抗震設防分類標準》，本工程屬于重點設防類建筑，抗震設防烈度8度，設計基本地震加速度值為0.2g，設計地震分組為第一組。抗震措施按本地區抗震設防烈度提高1度即9度進行設計。框架與剪力墻抗震等級:抗震措施為一級;抗震構造措施為特一級。

本工程受建筑功能限制，主裙樓間不能設變形縫，設置沉降后澆帶調節沉降差。本工程長101.6 m，采用設一道溫度后澆帶及一些其他措施調節溫度收縮。圖1為該工程主、裙樓平面圖，圖2為主樓平面圖。

2 結構超限情況

根據《建筑抗震設計規范(GB 50011-2010)統一培訓教材》及《山西省抗震設防超限高層建筑工程界定規定》中的條文，本工程平面和豎向規則性指標中有兩項超出規范的要求:1)即塔樓偏置:單塔或多塔與大底盤的質心偏心距大于底盤相應邊長20%。由于受建筑功能制約，主、裙樓間未能設置變形縫，進而出現如下問題:上部樓層與下部大底盤的質心偏心距15.4 m，相應大底盤邊長的 61.2 m，二者之比 15.4/61.2=25.16%，超出規范要求的20%。2)剛度突變:相鄰樓層剛度變化大于70%或連續三層變化大于80%。本樓第四層(設備層)X向樓層最小抗剪承載力之比0.71，Y向樓層最小抗剪承載力之比0.78，均小于規范要求。

3 結構抗震計算和分析

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》5.1.12規定，體型復雜、結構布置復雜一級B級高度的高層建筑結構應采用至少兩個不同力學模型的結構分析軟件進行整體計算。本工程的結構整體計算采用中國建筑科學研究院PKPMCAD工程部的多層及高層建筑結構空間有限元分析與設計軟件SATWE和特殊多、高層建筑結構分析與設計軟件PMSAP，采用彈性時程分析法進行了多遇地震下的補充計算，采用了PUSH進行了彈塑性分析的補充計算。

3.1 抗震性能目標的確定

圖1 主裙樓平面圖

圖2 主樓平面圖

因本工程建筑形式和功能的要求，采用主樓和裙樓結合的建筑體型，從而使結構體型出現了塔樓偏置的超限情況，且由于本建筑屬于醫院綜合樓，在四層布置有設備層，層高較低，出現了樓層剛度突變，導致結構側向剛度不規則。結合本工程實際情況和業主要求，以及通過征詢專家意見，并結合相關規范要求，確定本工程抗震性能目標為C級，相應的性能水準:多遇地震下為1，設防烈度地震為3，預估的罕遇地震為4;并據此對結構進行了相應的計算和設計分析。

3.2 多遇地震下結構整體計算和分析

3.2.1 計算參數的確定

1)因本工程塔樓偏置，質量和剛度分布不均勻，故根據JGJ 3-2010高層建筑混凝土結構技術規程第4.3.4條規定，對質量和剛度不對稱、不均勻的高層建筑結構應采用考慮扭轉耦聯振動影響的振型分解反應譜法，計算振型數取為15;根據4.3.2條規定，計算雙向水平地震作用下的扭轉影響;根據《高規》4.3.17條規定，計算自振周期折減系數取為0.8;樓板將定為在平面內無限剛性。2)根據地質勘查報告，確定本工程地震烈度8度，基本地震加速度0.20g，場地類別為Ⅲ類，設計地震分組第一組，多遇地震水平影響系數最大值0.16，罕遇地震水平影響系數最大值0.90，特征周期0.45，結構阻尼比0.05。3)因本工程結構形式為框架—剪力墻，框架柱在裙樓頂部發生較大變化，故根據高規8.1.4條，將框架柱剪力分兩段進行了調整，調整系數由程序自動生成。

3.2.2 計算結果分析

如表1所示為在多遇地震下兩種計算程序，SATWE和PMSAP的結構計算結果，從中可知兩種程序的各項計算指標基本接近，結構自振周期在合理范圍之內，結構扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比小于0.9，樓層最大扭轉位移比小于1.4，這表明本工程結構布置具有必要的抗扭剛度，但是扭轉效應較為明顯，抗側力構件布置還可以進一步優化;樓層最大層間位移角小于1/800，表明在正常使用條件下，主體結構基本處于彈性受力狀態。該結構剛重比EJd/GH2＞2.7，可以不考慮重力二階效應，結構在水平力作用下保持穩定，不會失穩倒塌。水平地震計算作用時，結構各樓層的最小剪重比大于規范所要求的3.2%，有效質量系數大于規范所要求的90%;最小樓層抗剪承載力之比小于1，即本結構類型屬于豎向不規則，出現了軟弱層，需要采取一定的加強措施。

表1 多遇地震下結構整體計算分析結果

3.2.3 彈性時程分析

根據高規要求，對于剛度沿豎向分布不規則的建筑，在采用振型分解反應譜法進行分析外，還需采用時程分析方法進行補充計算。本工程選取了5條天然波和2條人工波進行了時程分析，并取7條波的平均值同振型分解反應譜法的計算結果做了比較，如圖3所示可知，振型分解反應譜法(CQC法)與平均譜在結構主振型周期點(1.6 s)上的影響系數相當接近，且不大于20%，即在統計意義上相符。

圖3 規范譜與平均譜比較圖

3.3 罕遇地震計算結果分析

表2為罕遇地震下樓層層間彈塑性位移角，從表2中可知在荷載方向與X軸夾角為0°和90°的兩種情況下，通過靜力彈塑性分析所得的本樓最大層間位移角均小于規范規定的1/100。筆者通過塑性鉸分布圖找到了最大位移角發生的樓層以及塑性鉸分布較密的區域。在結構設計中，對相應部位采取了加強措施:加大剪力墻的配筋率，以提高其在罕遇地震下的延性，減小塑性變形，增強結構安全性。

表2 層間彈塑性位移角

4 抗震設計優化與構造措施

1)在裙樓部分增設了數片剪力墻，以調整突出部分的剛度，減小質心偏移過大造成的扭轉影響。2)通過調整裙房的剪力墻布置及主樓兩側框梁的高度，減小了主、裙樓的剛性偏心距，增強了主樓的抗扭剛度，減小了偶然偏心下樓層的層間位移比。3)將裙樓屋頂(標高17.420 m)樓板及其上下層(標高15.170 m、標高21.320 m)樓板加強(板厚150 mm，配筋率不小于0.25%，配筋雙層雙向)，以增強質心偏移過大處的整體性。4)提高地下1層～4層豎向構件抗震構造措施，提高框架柱縱向鋼筋的配筋率，剪力墻全部設置約束邊緣構件，以保證建筑底部出現塑性鉸后具有足夠的延性。

5 結語

本工程為平面規則，豎向不規則的兩項超限高層結構，筆者采用了兩種不同力學模型的軟件進行結構在多遇地震下的計算分析，彈塑性時程分析作為補充計算;為實現結構抗震性能化設計，采用彈塑性靜力分析進行罕遇地震下結構的計算和分析，并通過計算結構采取了一定的抗震加強措施，為今后此類工程的設計提供參考。

［1］陳麗紅，冷立群.天譽三期雙塔頂部連體超限高層結構設計［J］.廣東土木與建筑，2005(10):65-66.

［2］JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結構技術規程［S］.

［3］GB 50011-2010，建筑抗震設計規范［S］.