試論超限高層建筑結構工程抗震設計

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摘要：21世紀，隨著高層建筑的不斷涌現，限高層建筑也以極快的速度增加著，同時被應用的越來越加廣泛，其安全與否對于人們的生命財產安全有著重要的影響，因此，必須加強對超限高層建筑結構設計的重視。本文通過對某超限高層結構設計工程實例的介紹，討論了結構選型與布置，經過采用兩個不同力學模型軟件分析計算和非線性分析和地震評價結果表明，工程的各項總體計算指標比較理想，針對超限所采取的抗震措施合理有效，總體設計滿足規范要求。分析結果可供類似結構參考。

關鍵詞：超限高層建筑；結構設計；不規則結構；抗震性能設計

1、工程概況

某超高層住宅建筑，地面以上48 層，地下三層，主體結構建筑高度 162m。設計使用年限50年，結構安全等級二級，抗震設防類別為丙類，地基基礎設計等級為甲級；根 據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）及工程地質勘察報告，本場區抗震設防烈度為 7 度，設計基本地震加速度為 0.15g，設計地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類，特征周期值為 0.40s，屬建筑抗震一般地段。風荷載計算時，整體位移驗算采用 50 年重現期的風壓值 0.45kN/m2，承載力計算采用 100 年重現期的風壓值 0.50kN/m2。

2、結構體系及結構超限類型的確定

本工程地面以上為住宅建筑，結構高度及高寬比均較大，采用鋼筋混凝土剪力墻結構體系。結構布置時，充分利用墻肢翼墻的翼緣效應，通過加大翼墻厚度提供較大的抗側剛度；由于建筑功能限制，建筑平面X方向可布置建筑剪力墻的數量較Y方向少，設計上通過增加X方向邊框框架柱及加寬框架梁，加強X向結構剛度以滿足要求。剪力墻全部落地無轉換。標準層結構布置詳見圖 1。

圖1 標準層結構平面布置圖

本工程超限類型有三點，分別如下：

1）《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010表1全部落地剪力墻結構 A 級高度限值120m，B級高度限值150m，本工程高度162m，超過B級高度12m。

2）Y方向扭轉位移比超過1.2，按照《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》2010 年版附錄一：表2，屬于1a 類扭轉不規則。

3）平面凹凸尺寸大于其相應邊長30%，屬于平面不規則。

3、結構分析及計算結果

3.1 地震作用

根據本工程《場地地震安全性評價工作報告》，本場地設計反應譜參數與規范反應譜參數對比如表 1 所示。

表1 規范反應譜和安評反應參數對比表

超越概率規范反應譜安評報告反應譜參數

amaxT1/S amaxT1/S

50年63%（小震）0.120.400.90.1540.301

50年10%（中震）0.340.400.90.4410.401.22

50年2%（大震）0.720.450.90.6510.451.34

選取 1#樓分別按規范和安評反應譜計算其樓層剪力和層間位移角，計算結果表明，小震下安評反應譜作用下的樓層剪力除頂部幾層略大于規范反應譜作用外其余均小于規范反應譜作用，小震下安評反應譜作用下的層間位移角均小于規范反應譜，因此在小震設計中應采用規范反應譜作為設計依據。

3.2 結構抗震性能目標

針對本工程高度超限的特點，結構計算分析時除需考慮常規的豎向荷載、小震作用及風荷載作用外，還采用基于性能的抗震設計方法，對結構進行了抗震性能設計。結構抗震性能目標按照《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010第3.11 節內容執行。根據本工程地處7度（0.15g）區，且房屋高度為超 B 級高度（超過B 級高度約 12m）的特點，結合超限抗震設防專項審查意見，設定塔樓結構抗震性能目標如表2 所示。

表2 性能目標

多遇地震（小震）設防烈度地震（中震）預估的罕遇地震

（大震）

關鍵構件底部加強部位剪力墻無損壞

（彈性） 滿足抗剪截面條件

普通豎向構件剪力墻（非底部加強部位），框架柱無損壞

（彈性）滿足抗剪截面條件滿足抗剪截面條件

耗能構件連續框架梁無損壞

（彈性）滿足抗剪截面條件滿足抗剪截面條件

計算分析手段SATWE，MidasbuildingSATWESATWE，Abaqus

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010 第3.11.3 條，中震、大震作用下構件彈性或不屈服的承載力復核及受剪最小截面表達式如下：

彈性設計表達式：rGSGE+ rES*GE≤R/rRE 高規 JGJ 3-2010（3。11。3-1）；

不屈服設計表達式：SGE+S*GE≤RK 高規 JGJ 3-2010（3.11.3-2）；

受剪最小截面要求表達式：VGE+V*EK≤0。15fCKbh0 高規 JGJ 3-2010（3.11.3-4）。

對應不同抗震水準下結構構件承載力的要求，確定各構件各種不同損害程度對應的承載力要求如表2 括號中描述。

3.3 塔樓彈性計算分析

3.3.1本工程的整體計算

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010 第 5.1.12 條：B 級高度高層建筑結構，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，本工程彈性分析選用中國建筑科學研究院編制的 SATWE 軟件（簡化墻元模型，2010 版）和韓國 MIDAS 公司編制的 MIDAS/building結構大師模塊（細分墻元模型，2011 版）進行計算，考慮偶然偏心地震作用、雙向地震作用、扭轉耦聯以及施工模擬加載的影響。

3.3.2 整體計算結果匯總（多遇地震）

根據規范有關規定，本工程采用 SATWE、MIDAS/building 兩個程序進行計算分析，主要參數取值如下：計算振型個數取 21，周期折減系數取 0.9，中梁剛度增大系數取 2.0，連梁剛度折減系數取 0.7，相關結果對比表如表 3。

表3 整體計算結果表

計算軟件SATWEMidasbuilding

自振周期T13.5569（X）3.6018（X）

T23.5044（Y）3.4679（Y）

T32.8372（T）2.9236（T）

第1扭轉/第1平動周期

剪重比（剪重比限制按高規JGJ3-2010第4.3.12條插值）X

Y0.7952.36>2.03%（=0.85X2.38%）

2.57%>2.4%0.8122.22%>2.01%（=0.85X2.36%）

2.46%>2.40%

有效質量系數X

Y99.5%

99.75%96.59%

95.32%

50年一遇風荷載最大層間位移角限值：1/870

限值：1/870（按屋面高度165m插值）X

Y1/4285（38）

1/1786（45）1/4438（38）

1/1927（45）

規范反應譜地震作用下最大層間位移角（層號）

限值：1/870（按屋面高度165m插值）X

Y1/935（38）

1/969（46）1/902（38）

1/982（45-46）

考慮偶然偏心最大扭轉位移比（層號，SATWE）

（對應層間位移角）X

Y1.10（1）（1/3563）

1.22（1）（1/3227）-

-

首層構件最大軸壓比（SAYWE）剪力墻

框架柱0.48

0.70

本層 剛度與上層側向剛度的比值中最小值按《高規》JGJ3-2010第3.5.2條第2款計算X

Y本層層高大于上一層的1.5倍

-

-其它樓層

1.019（38）>0.9

1.021（38）>0.9

樓層受剪荷載力與上層比值中的最小值（層號）X

Y0.97（38）>0.8

0.97（6）>0.80.965（8）>0.8

0.966（37）>0.8

剛重比EJd/GH2X

Y3.43>2.7

3.79>2.7

3.3.3 計算結果驗證

根據上述計算結果，結合規范要求及結構抗震概念設計理論，可以得出如下結論：

1）第一扭轉周期與第一平動周期之比小于 0.85，滿足高規 JGJ3-2010 第 3.4.5 條要求；

2）有效質量系數大于 90%，所取振型數滿足要求；

3）水平力作用下的層間位移角滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3-2010）第 3.7.3 條的要求，建筑物高度在 150～250m 間時可在1/1000～1/500 間線性插值；

4）剪重比基本滿足《建筑抗震設計規范》第 5。2。5 條要求，剪方法，調整結構總剪力和各樓層的水平地震剪力使之滿足要求；

5）在偶然偏心地震荷載作用下，1#樓首層 Y 向最大扭轉位移比為1.22（最大層間位移角 1/3227 小于規范限值的 40%），略大于限值 1.2，屬于扭轉不規則結構；

6）各塔樓底部剪力墻軸壓比小于 0.5，滿足規范對剪力墻構件軸壓比的規定；

7）根據《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010 第 4.5.2 條，本工程各樓層側向剛度均大于上一層的 90%，當下層層高大于上層層高1.5倍時，大于 110%，沒有軟弱層，不屬于豎向剛度不規則結構；

8）各層受剪承載力均不小于上一層的 80%，滿足高規第 3.5.3 條的規定，不屬于樓層承載力突變；

9）結構剛重比大于2.7，滿足規范對結構穩定的要求，不考慮重力二階效應的影響；

10）SATWE 與 MIDAS/building 的計算結果相近，這說明計算結果合理、有效，計算模型符合結構的實際工作狀況；

11）計算結果表明，結構周期及位移符合規范要求，剪重比適中，構件截面取值合理，結構體系選擇恰當。

3.4 彈性時程分析

《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010 第 5.1.13 條：抗震設計時，B 級高度高層建筑結構，應采用彈性時程分析法進行補充計算，根據《抗規》第 5.1.2 條表 5.1.2-1 規定，對本棟塔樓進行了多遇地震下的彈性時程分析。按地震波選取三要素（頻譜特性，有效峰值和持續時間），選?、蝾悎龅厣蟽山M實際強震記錄 Tianran1 波和 Tianran2 波，以及一組人工模擬的場地波 Rengong1 波進行彈性時程分析；在時程分析中，主方向與次方向的峰值加速度的比值為 1.00∶0.85。彈性時程分析結論：

1）時程分析結果滿足平均底部剪力不小于振型分解反應譜法結果的80%，每條地震波底部剪力不小于反應譜法結果的 65%的條件，所選地震波滿足規范要求；

2）在結構部分樓層規范反應譜計算得出的樓層剪力和樓層彎矩小于彈性時程分析的結果。在結構設計時，應對結構地震力適當放大，放大系數介于 1～1.4 之間。

4、針對超限采取的主要措施

剪力墻是本結構的主要抗側力構件，因此必須采取措施提高核心筒墻體的延性和穩定性，使抗側剛度和整體結構延性更好的匹配。針對剪力墻的具體措施有：

1）針對 B1 層和首層高度較大的剪力墻，增加其厚度到 600～700mm，加強其平面外穩定性。局部樓電梯不可加厚的墻肢，采用現澆樓梯板與墻肢連成整體的設計措施，以增強墻肢平面外的穩定；

2）底部加強區剪力墻抗震等級提高到特一級；

3）底部加強區剪力墻：X 向按中震彈性，Y 向按中震抗剪彈性、抗彎不屈服的性能目標進行設計；

3）底部加強區特一級墻身水平分布筋最小配筋率提高到 0.6%，豎向分布筋最小配筋率提高到 0.6%；其它一級墻身水平分布筋最小配筋率提高到 0.3%，豎向分布筋最小配筋率提高到 0.3%；

4）提高底部加強區剪力墻約束邊緣構件豎筋最小配筋率到 1.4%，特一級墻身配箍特征值提高 20%；在底部加強區部分受力較大位置剪力墻端部暗柱內設型鋼，并向上延伸 2 層；

5）底部加強區剪力墻軸壓比控制按“高規”要求：一級和特一級剪力墻在重力荷載代表值作用下墻肢軸壓比控制在 0.5 以內。通過以上加強措施，經過計算復核，本工程結構抗震性能目標達到設定要求。

5、結束語

綜上所述，本工程在結構設計中采用概念設計方法，根據抗震原則及建筑特點，首先對整體結構體系及布置進行仔細的考慮并作優化，使之具有良好的結構性能。抗震設計中采用性能化設計方法，除保證結構在小震下完全處于彈性階段外，還補充了主要構件在中震、大震下作用下的性能要求，再采取多種計算程序進行了彈性、彈塑性的計算，計算結果表明，多項指標均表現得較為良好，基本滿足規范的有關要求；使可控制的不規則程度得到基本有效控制。同時又通過概念設計及各階段的計算程序分析結果，對關鍵和重要構件作了適當加強，在構造措施方面亦相應作了處理。本工程除能夠滿足豎向荷載和風荷載作用下的有關指標外，結構抗震性能目標達到設定水平，因此可以期望本工程結構體系在遭遇地震作用時能達到小震不壞，中震可修，大震不倒的抗震設防目標。

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