深圳某超限高層建筑結構工程抗震設計

華陽國際設計集團深圳公司 廣東深圳 518038

摘要：該項目結構高度197.75m，屬典型的超限高層建筑。采用YJK和ETABS、SAUSAGE有限元分析程序，對該工程進行了詳細的彈性及彈塑性的計算分析，根據分析結果，就工程中的各項超限指標提出了相應的概念設計原則及處理措施，分析結果可供類似結構參考。

關鍵詞：超限高層建筑；抗震性能設計；彈性分析；彈塑性分析

1.工程概述

本項目建設地點位于深圳市羅湖區，總建筑面積約17.19萬m2。本工程地下為4層，地上6層裙房，用于連接兩塔樓。塔樓分為南塔、北塔兩部分。南塔197.95m，用于辦公、酒店，北塔162.1m，用于商務公寓、辦公。本文著重分析南塔塔樓在多遇地震、設防烈度地震、罕遇地震作用下的抗震性能。

2.設計依據

場地基本風壓0.75kN/㎡，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g，設計地震分組為第一組。擬建地土類型為中軟場地土，綜合判定建筑場地類別為Ⅱ類，場地地震動反應特征周期為0.35s。根據鉆探揭示，場地內地層自上而下依次為：（1）填土（石）層（Qml）、（2）第四系沖洪積層（Qal+pl）（3）第四系殘積層（Qal）；（4）下伏基巖石炭系千枚巖（C）。

3.結構設計

3.1結構選型

南塔建筑高度為217.0m，主結構高度為197.75m；為框架-核心筒結構體系，鋼筋混凝土核心筒是塔樓的主要抗側力結構體系。結構豎向荷載是通過水平梁板傳遞到剪力墻墻體和框架柱上，再傳遞到基礎；水平荷載以剪力墻承擔大部分的水平剪力和抗傾覆彎矩，框架柱承擔少量的水平剪力及抗傾覆彎矩；剪力墻和框架柱通過樓板的面內剛度互相協調。樓蓋采用普通現澆鋼筋混凝土梁板體系。

圖一 標準層結構平面布置圖

3.2 地基基礎

根據勘察報告提供的場地情況，采用旋挖灌注樁基礎，以中、微風化千枚巖為樁端持力層，基本保證一柱一樁，傳力直接，構造簡單。本工程地基基礎設計等級為甲級。樁基基礎設計考慮恒荷載、活荷載、水浮力、風荷載和地震作用的綜合作用下的影響，同時亦考慮了施工期間對場地周圍建（構）筑物、道路、管線等的影響。

4.超限分析

4.1 結構超限判別：

（1）高度超過B級高度；（2）考慮偶然偏心的扭轉位移比大于1.2，小于1.4；（3）樓板局部不連續；（4）局部穿層柱；

4.2 結構計算分析

分別采用YJK及ETABS兩種三維空間結構分析程序進行計算比較，按振型分解反譜法進行抗震計算及彈性時程補充分析計算，模型計算主要輸入參數見下表：

結構體系框架-核心筒地震力計算信息單向/雙向

/偶然偏心

結構重要性系數1.0地震力夾角

<風荷載夾角>0°/90°

場地土類別II類振型組合數24

設防烈度7振型組合方法考慮扭轉耦聯

CQC

設計地震分組第一組結構阻尼比0.05

（小震和中震）

設計地震加速度0.10g樓層水平地震

剪力調整考慮

αmax（Tg）0.08（0.35s）

規范取值基本風壓（kN/㎡）0.75

嵌固端位置地下室頂板地面粗糙類別D

樓板假定剛性（僅位移指標

計算）風荷載體型系數1.4

模型總層數42周期折減系數0.85

豎向荷載計算信息模擬施工加載3

荷載與剛度分層

形成連梁剛度折減0.7

重力二階效應

（P-△）考慮中梁剛度放大

系數由程序自動計算

4.3 抗震性能目標

綜合考慮抗震設防類別、設防烈度、場地條件、結構本身特點、建造費用和修復難易程度等因素，根據廣東省《高層建筑混凝土結構技術規程》，進行抗震性能評估時，南、北塔樓抗震性能目標可定為性能 C。

性能目標C是指小震下滿足結構抗震性能水準1的要求，中震下滿足性能水準3的要求，大震下滿足性能水準4的要求。

針對不同的抗震性能水準對應的結構構件抗震性能目標，設計時具體控制指標如下表：

結構構件抗震性能目標

地震烈度多遇地震設防地震罕遇地震多遇地震結構構件

抗震等級

性能水準性能水準1性能水準3性能水準4

宏觀損壞程度完好，無損壞輕度損壞中度損壞

層間位移角限值1/570---1/100

關鍵構件底部加強區剪力墻彈性受彎不屈服，受剪彈性受彎不屈服，抗剪不屈服特一級

框架柱彈性彈性受彎不屈服，抗剪不屈服一級

普通豎向構件其他部位剪力墻彈性受彎不屈服，受剪彈性部分受彎屈服，但滿足受剪截面要求一級

框架柱彈性受彎不屈服，受剪彈性部分受彎屈服，但滿足受剪截面要求一級

耗能構件連梁彈性部分受彎屈服，受剪不屈服大部分進入屈服階段一級

框架梁彈性部分受彎屈服受剪不屈服大部分進入屈服階段一級

其他弱連接樓板彈性受彎受剪不屈服受剪截面滿足要求并控制鋼筋應力/

4.4 結構計算分析方法及計算分析軟件

項次是否考慮風荷載計算分類計算分析方法計算分析

軟件

多遇地震（小震）作用是位移指標計算考慮偶然偏心地震作用、剛性樓板、風荷載取50年重現期基本風壓YJK/Etabs

承載力計算扭轉耦聯、彈性樓板、雙向地震作用、風荷載取50年重現期基本風壓的1.1倍YJK/ Etabs

彈性時程分析YJK

樓板應力分析Etabs

設防地震（中震）作用否性能目標

計算分析扭轉耦聯、彈性樓板、雙向地震作用Etabs

樓板應力分析Etabs

罕遇地震（大震）作用否性能目標

計算分析彈塑性動力時程分析SAUSAGE

樓板應力分析Sausage/Etabs

多遇地震及風荷載作用下的彈性分析

計算反應譜的選擇

基于《安評報告》提供的安評反應譜數據與規范反應譜相應參數存在差別，在多遇地震作用下的計算分析中，分別按照規范反應譜和安評反應譜的地震動參數計算，根據結果可以看出，南、北塔按照規范反應譜計算所得到X向和Y向的結構底部剪力均比安評反應譜計算結果要大。因此，在多遇地震作用下的計算分析中選擇規范反應譜為計算反應譜。

彈性時程分析

根據《抗規》第5.1.2條，該塔樓應采用彈性時程分析方法進行多遇地震下的補充計算。計算分析時，將所采用各條地震波的地震影響系數調整為0.08（即35cm/s2），并分別沿X向和Y向加載，地震波振型阻尼比ξ為0.05，地震波持續時間t實際地震為40s，地震波的時間間距△t為0.02s。采用5條天然波和2條人工波進行時程計算。結果表明，每條時程曲線計算所得基底剪力均在振型分解反應譜計算結果的65%和135%之間；七條時程曲線計算所得基底剪力的平均值均在振型分解反應譜計算結果的80%和120%之間，滿足《高規》第4.3.5條的規定，地震波的選擇滿足規范要求。經分析，在多遇地震及風荷載作用下：

（1）兩種軟件分析的各項指標、反應譜與時程分析的結果均具有一致性和規律性，說明分析模型準確。

（2）各樓層水平地震剪力最小值經調整后滿足規范限值要求，結構具有足夠的安全度。

（3）反應譜分析表明塔樓受力及變形均無明顯突變，結構具有合適的抗側剛度。

（4）扭轉周期與平動周期之比小于0.85，結構具有合適的抗扭剛度。

（5）結構樓層質量分布均勻，地震力沿高度方向無較大突變。

（6）結構構件均處于彈性狀態，承載能力和變形能力均能滿足規范規定的要求。

（7）結構剛重比、剪力墻墻肢穩定性、整體抗傾覆均滿足規范要求。

（8）時程波的選取與規范譜在統計意義上相符，分析結果滿足規范要求。

結論：多遇地震及風荷載作用下，各項控制指標均滿足性能水準1的抗震性能目標。

設防烈度地震作用下結構抗震性能驗算

根據設防烈度地震作用下的抗震性能目標的要求，對其進行中震彈性（不屈服）判別分析，以判別結構構件在中震作用下的抗震性能。

采用ETABS程序進行分析，剪力墻受彎按不屈服校核，受剪按彈性校核；底部加強區框架柱按受彎彈性校核，其它框架柱按受彎不屈服校核；連梁受剪按不屈服校核。中震彈性和中震不屈服計算模型主要輸入參數詳見下表：

參數中震彈性設計中震不屈服設計

樓板模型彈性樓蓋彈性樓蓋

水平地震影響系數最大值αmax0.230.23

地震組合內力調整系數1.01.0

作用分項系數同小震彈性分析1.0

材料分項系數同小震彈性分析1.0

抗震承載力調整系數同小震彈性分析1.0

材料強度采用設計值采用標準值

連梁剛度折減系數0.50.5

是否計入風荷載效應不計入不計入

其它未示參數與小震彈性分析同與小震彈性分析同

經分析，在設防烈度地震作用下：

（1）剪力墻均可滿足受彎不屈服的性能目標；截面剪壓比滿足彈性的性能目標，局部墻肢水平鋼筋配筋率大于構造配筋，與小震取包絡，進行配筋設計；

（2）中震作用下，底部和頂部局部墻肢受拉，筒體角部底部2層墻肢W9拉應力大于混凝土抗拉強度標準值（2.85Mpa），建議增加型鋼；100年風荷載作用下，頂部局部墻肢受拉，拉應力均小于混凝土抗拉強度標準值。

（3）底部加強區框架柱滿足受彎彈性的性能目標，非底部加強區框架柱滿足受彎不屈服的性能目標。

（4）連梁截面剪壓比滿足不屈服的性能目標。

結論：設防烈度地震作用下各項設計控制指標可滿足性能水準3的抗震性能目標。

罕遇地震作用下結構動力彈塑性分析與抗震性能評價

采用廣州數力研發的SAUSAGE軟件進行結構的動力彈塑性分析，可以準確模擬梁、柱、支撐、剪力墻（混凝土剪力墻和帶鋼板剪力墻）和樓板等結構構件的彈塑性性能。通過結構在大震作用下的動力彈塑性時程分析，結合結構整體指標和結構構件的性能分析可以得出如下結論：

1.大震彈塑性基底剪力與小震彈性規范譜基底剪力比值在4.36-6.23倍之間，處于合理范圍。

2.罕遇地震作用下，結構能保持直立，最大層間位移角1/110<[1/100]，滿足《建筑抗震設計規范》要求，滿足“大震不倒”的基本要求。

3.X、Y向連梁損傷情況差異不大，X向總體損傷情況略大于Y向，說明結構2個方向延性設計適宜，筒體大部分連梁均出現了較為嚴重的破壞，除局部區域外，墻肢基本處于彈性工作狀態，滿足“強墻肢弱連梁”的設計概念。

4.框架柱均沒有出現受壓損壞，鋼筋不屈服，作為二道防線的框架柱具有較好的安全儲備。

5.樓板的受壓損傷主要集中在洞口附近，鋼筋未出現屈服，洞口附近可適當附加配筋。

6.薄弱部位：

（1）筒體底部角部小墻肢（3軸B區域），應予以加強，增設型鋼。

（2）地上8層局部高連梁出現了比較嚴重的損壞，如3軸A區域，應適當加強。

（3）部分墻肢在結構中上部樓層設計了結構洞口，交界處下部墻肢（如E軸D區域）局部破壞，應予以加強設計，提高分布鋼筋配筋率。

結論：設罕遇度地震作用下各項設計控制指標可滿足性能水準4的抗震性能目標。

綜合分析結論

綜合以上計算分析結果，可得到以下結論：

（1）在多遇地震作用及風荷載作用下，YJK和ETABS兩種軟件分析的各項指標基本一致；結構構件處于彈性階段，承載能力和變形能力均能滿足現行規范要求。時程分析與反應譜之間具有一致性和規律性，符合工程經驗及力學概念所做判斷；能夠滿足“小震不壞”的抗震性能目標。

（2）在設防烈度地震作用下，底部加強區部位剪力墻及框架柱均滿足受彎不屈服，受剪彈性；其他部位剪力墻、框架梁及連梁僅有少量出現受彎屈服，但受剪不屈服；可滿足“中震可修”的抗震性能目標。

（3）在罕遇地震作用下，結構層間彈塑性位移及層間位移角均滿足規范限值要求，結構主要抗側力構件沒有發生嚴重破壞；可滿足“大震不倒”的抗震性能目標。

（4）該結構滿足抗震性能目標設定的在指定地面運動下的各項抗震性能水準要求，是安全、可靠、合理且滿足規范要求的。

結構超限主要抗震加強措施

（1）剪力墻底部加強部位的墻身水平和豎向分布筋的最小配筋率不小于0.40%，配筋間距不大于150mm；對于個別剪應力較高的墻體，其約束邊緣構件縱筋配筋率不小于1.5%，構造邊緣構件時改為約束邊緣構件，水平鋼筋配筋率比規范限值多0.05%，以提高其延性能力。

（2）設置約束邊緣構件上兩層為過渡層，適當加強過渡層的配筋。

（3）塔樓與商業裙樓相連的結構構件在相關范圍內框架柱箍筋全柱段加密配置，剪力墻全范圍設置約束邊緣構件。

（4）裙房屋面樓板厚度不小于150mm，并采用雙層雙向配筋；且每層每方向的配筋率不小于0.30%。

（5）對部分剪力過大的連梁，適當提高連梁的配箍率；局部跨高比小于2.5的連梁，設置暗撐或交叉斜筋，以滿足強剪弱彎的抗震概念設計要求。

結束語

對超限高層建筑設計建議采用兩種以上不同計算模型的有限元計算分析程序，進行詳細的彈性及彈塑性計算分析，并應對各種程序的計算結果進行對比分析。根據分析結果，就工程中各項超限指標提出相應的概念設計原則及處理措施，必要時從結構體系上予以調整，從構造上加強，以滿足超限高層建筑工程抗震設防的要求。

參考文獻：

[1] 高層建筑混凝土結構技術規程（JGJ3-2010）[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[2] 建筑抗震設計規范（GB 50011-2010）[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[3] 《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》（建質[2010]109號）.