超高層建筑結構抗震設計探討

摘要：地震是人類的公敵，我國很多地方都是地震多發區，而且目前我國的超高層建筑物也不斷增多。因此，做好超高層建筑的抗震設計，達到大震不倒的目的。本文根據工程案例，對某超高層建筑結構進行計算與分析，并提出抗震措施。

關鍵詞：超高層建筑；結構抗震

一、工程概況

某商業建筑為42層的超高層，基礎類型為樁筏基礎，采用鉆孔灌注樁加后壓漿工藝，單樁豎向承載力特征值 Ra= 7500kN，樁長約50m，樁身直徑1000mm，樁進入持力層深度不小于1m，3.5m厚的樁端持力層為中風化泥巖。

二、結構性能目標

（一）結構抗震性能要求

工程是B級的一般不規則結構，性能選定為C級。為了能保證C級性能目標的實現，要求結構必須要滿足以下三方面：1）在多遇地震作用下滿足第一抗震性能水準；2）在設防烈度地震作用下滿足第二抗震性能水準；3）在預估的罕遇地震作用下滿足第三抗震性能水準。

該工程各抗震性能水準按表1進行。

表1 C級抗震性能在各地震水準下結構預期的震后性能狀況

損壞部位 繼續使用的可能性

地震水準結構抗震性能水準宏觀損壞程度普通剪力墻剪力墻底部加強部位框架梁、連梁

多遇地震第一水準完好、無損壞無損壞無損壞無損壞一般不需修理即可繼續使用

設防烈度地震第二水準輕度損壞輕微損壞輕微損壞輕度損壞、部分中度損壞一般修理后才可繼續使用

預估的罕遇地震第三水準中度損壞部分構件中度損壞輕度損壞中度損壞、部分比較嚴重損壞修理或加固后才可繼續使用

（二）地震作用下結構設計要求

在多遇地震作用下，結構構件的承載力及結構變形按一般情況計算及復核，滿足彈性設計要求。彈性計算分析的詳細結果表明，結構沿主軸方向振動形式相近，結構振型、周期、位移形態和量值在合理范圍內；結構的地震作用響應沿高度的分布合理；有效質量系數和樓層剪力的大小滿足規范要求，剪力墻及連梁截面滿足剪應力控制要求，配筋均在合理范圍內。

在設防烈度作用下（不計入風荷載效應組合），允許部分框架梁、連梁正截面承載力進入屈服階段，結構進入彈塑性狀態。

在罕遇地震下，部分豎向構件及大部分耗能構件進入屈服階段，結構應進行彈塑性分析。

三、結構基本信息及模型的建立

（一）結構基本信息

結構抗震設計參數取值見表2。

表2 結構抗震設計參數取值

設計參數取值

結構類型全現澆鋼筋混凝土框架-核心筒

墻厚/mm下部900、800；上部700、600、500

梁截面高度/mm900（標準層）

抗震設防分類乙類（重點設防類）

抗震設防烈度7度

地震加速度值0.15g

場地的特征周期

Tg/s0.45（多遇地震）

0.45（設防烈度地震）

材料強度墻：C60～C45；梁及樓板：C55～C40

結構板厚/mm核心筒范圍內150，以外120

場地土類別III類

設計地震分組第1組

軸壓比限值0.5（剪力墻）；0.70（一般柱）

0.65（型鋼筋混凝土柱）

阻尼比0.06

地震影響系數0.078（多遇地震）

0.218（設防烈度地震）

最大值αmax0.378（罕遇地震）

（二）模型的建立

根據結構計算圖紙在PKPM中建立幾何模型，并按表2中各參數取值輸入，建立結構計算模型。

可采用等效彈性的方法計算結構構件的組合內力，考慮結構阻尼比的增加及剪力墻連梁剛度的折減。在SATWE的“結構設計參數補充定義”中的“地震信息”中，地震影響系數 αmax和場地特征周期Tg分別按中震輸入。荷載組合通過自定義荷載組合添加。

采用等效彈性的方法用SATWE進行大震作用下的計算，在SATWE的“結構設計參數補充定義”中的“地震信息”中，地震影響系數αmax和場地特征周期Tg分別按大震輸入。

Pushover計算模型從SATWE轉換而來，幾何尺寸、材料參數、設計要求均同SATWE。

四、結構計算分析

首先進行多遇地震階段的結構設計，再進行非線性分析以校核設防烈度地震、罕遇地震性能水準。根據校核結果調整結構設計進行第2次設計。計算內容包括：

（一）采用我國建筑設計單位廣泛使用的PKPM軟件中的SATWE及TAT計算模塊計算。按反應譜計算了多遇地震作用，計算單向地震作用時考慮了偶然偏心的影響，雙向地震作用與偶然偏心不同時考慮。

（二）采用SATWE按彈性時程分析法選取5組天然波（SATWE自帶的TH1TG045、TH2TG045、TH4TG045、TH3TG055、TH4TG055）和2組人工模擬的場地波（安評報告提 供的人工波Hlj5063-1、Hlj5063-2）進行了多遇地震作用計算。

（三）根據設定的性能目標，采用SATWE進行了設防烈度地震作用下的整體結構構件承載力復核。

（四）采用SATWE進行了罕遇地震下的底部剪力墻抗剪截面驗算。

（五）采用SATWE進行了靜力彈塑性分析，即Pushover分析。在該工程所進行的Pushover分析中，選擇兩種水平側向荷載加載方式，即：彈性CQC地震力、倒三角荷載。每種加載方式分別按X正、負方向和 Y正、負方向加載，共計8個荷載工況。分別對每個荷載工況進行Pushover分析，得到相應的加速度需求譜曲線和加速度能力譜曲線。結構的性能點為兩曲線的交點，其所對應的位移角曲線坐標即為最大層間位移角。

五、主要抗震計算結果

（一）多遇地震作用計算結果

1）辦公樓平面規則、簡單、剛度和承載力分布均勻，建筑物的平面邊緣無凹凸，樓蓋整體性較好，筒體內洞口較多，扭轉指標扭轉位移比，X方向為1.22，Y方向為1.22，結構扭轉為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比均小于0.85，且第一自振周期沒有扭轉成分。

2）建筑結構豎向規則、均勻、無轉換層，鋼筋混凝土墻體側向剛度自下而上逐漸減小，中區以上筒體角部開洞，且洞口上下位置不一致，結構層間位移均滿足規范要求。

3）多遇地震作用下，有效質量系數和剪重比驗算結果滿足規范要求。

（二）時程分析結果

根據軟件所繪制的X、Y 方向最大樓層剪力曲線和各樓層X、Y方向位移曲線，整理出時程分析結果數據如表3所示。

表3 時程分析結果

地震波及CQC幅值/（cm·s-2）續時/s放大

系數底部剪力/KN與CQC底部剪力百分比層間位移角/弧度所在樓層

H1j5063-1

H1j5063-2

TH1TG045

TH2TG045

TH4TG045

TH3TG045

TH4TG04531

40.94

31

40.94

31

40.94

31

40.94

31

40.94

31

40.94

31

40.941.0

1.0

1.15

1.10

1.0

1.15

1.0

X方向

20 887. 4

101. 6%

21 098. 2

102.5 %

15 647.8

76. 1%

16 170. 3

78. 6%

14 641 .3

71. 1%

15 644. 2

76. 1%

16 216. 4

78. 8%Y方向

20 390. 1

95. 6%

19 806. 8

92. 9%

14 606. 9

68. 5%

16 336. 7

76. 6%

14 774. 9

69. 3%

15 707. 2

73. 7%

17 881. 9

83. 9%X方向

1/1407

30F

1/1379

34F

1/2566

37F

1/3175

30F

1/2394

34F

1/1982

32F

1/1880

33FY方向

1/1471

32F

1/1486

36F

1/2532

36F

1/3036

37F

1/2414

32F

1/1809

34F

1/2162

34F

平均值— 17186.5

83.6%17072.1

80.1%1/1977

34F1/2009

36F

CQC— 20568213221/1259

29F1/1322

32F

由計算結果可知：彈性時程分析所得的內力和位移平均值沿高度方向的變化規律與采用振型分解反應譜法所得的內力和位移變化規律基本一致，但是時程分析平均值計算的地震力在局部樓層出現大于CQC法的計算剪力，可以把CQC計算的頂部樓層放大1.1倍。因此，設計階段地震剪力應采用各樓層CQC法和彈性時程分析法的包絡值。

（三）靜力彈塑性分析結果

對前述8種荷載工況進行了Pushover分析，得到各塔樓的各個工況下的能力譜-需求譜曲線、性能點及最大層間位移（見圖1～圖8）。

圖1 彈性CQC地震力下X正方向能力譜-需求譜曲線

圖2 彈性CQC地震力下X負方向能力譜-需求譜曲線

圖3 彈性CQC地震力下Y正方向能力譜-需求譜曲線

圖4 彈性CQC地震力下Y負方向能力譜-需求譜曲線

圖5 倒三角荷載下X正方向能力譜-需求譜曲線

圖6 倒三角荷載下X負方向能力譜-需求譜曲線

圖7 倒三角荷載下Y正方向能力譜-需求譜曲線

圖8 倒三角荷載下Y負方向能力譜-需求譜曲線

由能力譜-需求譜曲線可以看出：

1）能力譜-需求譜曲線較為平滑，在設定目標范圍內，各工況下得到的能力曲線均平滑上升，未出現突變段。各個工況的加速度需求譜曲線和能力譜曲線均有交點。

2）能力譜曲線反映了結構在相應方向上的抗推覆能力。同一荷載模式下 X 正、負方向和 Y正、負方向的能力譜曲線形式基本相同，說明這些方向上的抗推覆能力也非常相近。

（四）各工況的內力和變形情況

軟件所計算出的各種地震荷載作用下基底剪力情況見表4。

表4 基底剪力表 /KN

地震作用CQCX方向CQCY方向倒三角X方向倒三角Y方向

小震20200262481563219779

中震53965（2.67）58525（2.23）41102（2.63）44431（2.25）

大震86785（4.30）92112（3.51）70064（4.48）72483（3.66）

注：括號內為與小震數值之比。

表5中列出了彈性地震力CQC和倒三角荷載下 X 正、負方向和 Y 正、負方向上中震、大震作用時彈塑性層間位移角及所在樓層。

表5 中震、大震作用下彈塑性層間位移角

彈性地震力CQC

荷載類型及加載方向X正方向X負方向Y正方向Y負方向X正方向X負方向Y正方向Y負方向

中震作用下1/525

（26層）1/462

（26層）

1/606

（25層）1/439

（32層）1/486

（26層）1/426

（25層）1/531

（25層）1/400

（26層）

大震作用下1/256

（13層）1/249

（14層）1/324

（24層）1/268

（26層）1/257

（24層）1/244

1/286

（24層）1/241

（26層）

由表5可知：到達罕遇地震性能點時，各塔樓最大彈塑性位移角遠小于1/100，滿足規范要求及性能目標設定的要求。

分析各工況的中震、大震作用下彈塑性層間位移角分布情況，結構具有以下特點：

1）位移角沿整個建筑高度范圍變化均勻，說明結構側向剛度分布基本均勻，無剛度突變的情況。

2）中震作用下結構的彈塑性變形值均不超過彈性位移限值的2倍。

3）能力譜曲線較為平滑，位移與基底剪力基本呈線性遞增，曲線在大震性能點后繼續加載若干步后才出現下降段，說明結構在抗傾覆能力上有較大余地。

4）大震作用下彈塑性層間位移角均小于1/120，且不大于0. 9倍的塑性變形，符合規范的要求。

中震和大震作用下結構的塑性鉸及裂縫表現見表6。

表6 地震作用下塑性鉸及裂縫表現

地震作用剪力墻連梁、粗架梁柱子

中震大部分為彈性，底部核心筒角部個別剪力墻及上部短墻肢出現極少量裂縫；開設門窗洞口形成的短墻出現極少量裂縫部分連梁出現塑性鉸，大部分為彈性，框架梁未出現塑性鉸彈性

大震大部分為彈性，底部核心筒角部個別剪力墻及上部墻肢出現極少量裂縫；開設門窗洞口形成的短墻出現極少量裂縫部分連梁出現塑性鉸，大部分為彈性，框架梁未出現塑性鉸彈性

由表6可知：中震作用下整體結構抗震性能水準達到第二水準的要求。在大震作用下，結構總體上仍然處于彈性工作狀態，滿足性能目標C的要求。

通過比較各塔樓在各工況下中、大震作用時的變形及塑性鉸的發展狀態，得出以下結論：

1）底部筒體連梁最先出現塑性鉸，然后逐漸向上部樓層連梁發展塑性鉸。

2）隨后框架梁與內筒剪力墻連接處及與框架柱連接處出現塑性鉸。

3）最后框架柱之間的框架梁出現塑性鉸。

4）大震作用時，框架柱未出現塑性鉸。

5）連梁的屈服起到耗能作用，變形增加，而使剪力墻在大震作用時仍然處于彈性工作狀態。

6）結構彈塑性層間位移均滿足規范限值規定，整體結構抗震性能達到第三水準的要求。

六、結構抗震措施

針對以上結構抗震計算的結果及分析，建議采用以下結構抗震措施：

1）由于連梁上出現了塑性鉸，應通過嚴格控制其配筋率來提高其延性。對過早出現塑性鉸的連梁，采用交叉暗撐，并同時滿足強剪弱彎的要求。

2）對在中震及大震作用下，結構的頂部和底部出現裂縫的少數剪力墻以及個別開設了門窗的洞口形成的短剪肢，應加強其配筋構造，并適當提高水平配筋率。

3）部分軸力設計值較大的墻肢采用承載能力高的型鋼混凝土剪力墻，并提高其分布筋的最小配筋率為0.35%（一般部位）～0. 40%（底部加強部位）。由于核心筒開洞形成的短墻肢按邊緣構件設計，并適當提高其配筋率，核心筒角部墻體均按約束邊緣構件設計，其縱向鋼筋最小配筋率不小于1.2 %，邊緣構件縱筋構造配筋率不小于0.8%，并適當增大配箍特征值。對設防烈度地震作用下不屈服，而抗震承載力不足以抵抗罕遇地震的核心筒連梁，采用交叉暗撐予以加強。

4）加大筒體角部開洞的剪力墻厚度，并保持上下截面一致；采用交叉暗撐對上下洞口位置不

5）由于部分樓層框架承擔的地震剪力的最大值超過底部總地震剪力的10%，而有些卻小于結構底部總地震剪力的20%，計算時應對框架部分承擔的地震剪力按（1）式進行調整，框架部分承擔的地震剪力調整值=MIN（0.2×底部總地震剪力，1.5×樓層地震剪力標準值中的最大值）。

6）為彌補筒體結構由于樓梯及電梯井布置密集造成的板平面剛度減小，將板的厚度提高至150 mm，并采用雙層雙向通長配筋。