某超限高層建筑結構設計與彈塑性分析

鐘林杭

(廈門合立道工程設計集團股份有限公司 福建廈門 361004 )

某超限高層建筑結構設計與彈塑性分析

鐘林杭

(廈門合立道工程設計集團股份有限公司 福建廈門 361004 )

結合一棟B級高度的剪力墻結構住宅樓的結構設計過程，分析項目的超限情況，采用振型分解反應譜法對計算模型進行了多遇地震作用下的對比分析，同時采用彈性時程分析、靜力彈塑性(Pushover)分析及樓板應力分析等補充計算方法對結構體系的合理性進行驗證，并在施工圖設計階段采取了有效的抗震構造加強措施。計算分析表明，該工程采用的結構體系抗震性能良好。

超限高層；剪力墻結構； 抗震性能化設計；靜力彈塑性

1 工程概況

該工程位于泉州市鯉城區筍江路，總建筑面積約60萬m2；其中住宅2-1#樓為地下2層，地上42層的超高層建筑，首層層高為5.1m，其余各層層高均為3.15m，建筑總高度為134.25m，項目總用地面積約13萬m2。

該項目設計使用年限為50年，建筑安全等級為二級。結構抗震設防類別為丙類，設防烈度7度(0.15g)，設計地震分組為第三組，Ⅱ類場地，場地特征周期根據安評報告取0.50s；地面粗糙類別為B類，基本風壓取為0.7kN/m2。

2 地基基礎設計

根據《巖土工程詳細勘查報告書》，針對本場地特點，主樓采用三岔雙向擠擴灌注樁(鉆孔灌注樁)，樁基持力層為強風化花崗巖層，樁身混凝土強度等級為C40，樁基直徑為1 000mm，單樁豎向抗壓承載力特征值為8 900kN，有效樁長為22m～33m，設置2個承力盤，承力盤直徑為1 800mm。該工程樁基采用氣舉反循環清孔施工工藝，以確?？椎壮猎暮穸葷M足設計要求。純地下室基礎采用機械接頭的PHC500-125-AB預應力管樁，樁端持力層為卵石層，單樁豎向承載力特征值為1 700kN，單樁豎向抗拔承載力為140kN，PHC管樁與底板上布置的多重防腐型擴體抗浮錨桿共同組成抗浮體系。

3 上部主體結構設計

3.1 結構體系

主樓采用鋼筋混凝土剪力墻結構，地下室頂板厚度不小于200mm，經初步估算，地下一層主樓相關范圍的樓層側移剛度(剪切剛度)大于地上一層的2倍，滿足地下室頂板對上部主體結構的嵌固要求。結構平面布置如圖1所示。為配合業主對戶型的使用功能需求，從五層到四十層分為3個標準層，每個標準層都有躍層，樓板開洞位置不同，形成較多的樓板連接薄弱處。結構設計時，豎向構件的平面布置根據盡量簡單、對稱，且X、Y兩個方向的側向剛度不至于相差過大的原則，充分利用樓梯間、電梯間、分戶墻和建筑周邊角部房間布置落地剪力墻，剪力墻厚度自下而上采用300mm、250mm、200mm均勻變化。豎向構件的混凝土強度等級由低區到高區分別采用C50、C45、C40、C35和C30，同時加強大開洞房間周邊連接薄弱處樓板的厚度，以保證水平力的有效傳遞。

3.2 結構超限情況及性能目標

該項目結構總高度134.25m，在A級高度限值120m和B級高度限值150m之間，屬于B級高度超限高層(抗震等級為一級)，存在以下不規則項：①扭轉不規則——在規定水平力作用下，考慮偶然偏心的影響，個別樓層位移比>1.2，但<1.4；②凹凸不規則——l/Bmax=12.97/25.77=0.50>0.35。在豎向規則性方面——該項目豎向抗側力構件上下連續貫通，相鄰樓層的側向剛度變化均勻，無過大的外挑和收進，質量沿高度均勻分布。

針對項目超限情況，根據《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》的規定和該項目抗震設防專項審查意見的要求，對結構受力的關鍵部位及構件按C級性能目標進行抗震性能設計[1]，如表1所示。

圖1 結構平面布置圖

設防水準多遇地震(小震)設防烈度地震(中震)罕遇地震(大震)性能描述完好可修復不倒塌層間位移角上限1/1000—1/120底部加強部位剪力墻連梁彈性正截面抗彎承載力、斜截面抗剪承載力滿足彈性要求斜截面抗剪承載力滿足截面控制條件，控制整體彈塑性變形

4 主體結構計算分析

4.1 振型分解反應譜法計算結果分析

該項目采用中國建筑科學研究院PKPM軟件中的SATWE模塊進行結構整體模型計算分析，計算中考慮了扭轉耦聯影響，并采用MIDAS軟件進行補充計算校核，計算結果如表2所示。

表2 SATWE及MIDAS彈性結果對比分析

分析主要計算結果，結構底部5層在X向的最小剪重比不滿足規范限值2.40%，但大于2.04%。按規范要求，乘以放大系數調整底部總剪力和各樓層的水平地震剪力，使之滿足剪重比大于規范限值2.40%的要求[2]。結構整體穩定驗算滿足要求。水平荷載下位移角滿足規范要求，結構剛度較好。

4.2 補充計算結果分析

4.2.1 彈性時程分析

為校核振型分解反應譜法的計算結果，根據規范要求，位于設防烈度7度地區的建筑總高度超過100m時，應采用彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算[3]。根據業主提供的地震安評報告，該項目進行彈性時程分析時，地面運動最大加速度取值為55gal，阻尼比取0.05。所選用的地震波包括5條天然波和2條人工波，每組地震波包含X和Y兩個方向的分量，地震波的波形除符合有效峰值、持續時間、頻譜特性等方面的要求外，還應滿足規范對底部剪力的相關要求。

將選出的7組小震加速度記錄作為彈性時程分析的地震波輸入，采用PMSAP程序計算的結果如圖2～圖3所示。

圖2 X向樓層剪力

圖3 Y向樓層剪力

計算結果表明：每條時程曲線計算所得結構基底剪力均大于振型分解反應譜法計算結果的65%，且小于135%，彈性時程分析法所選取的地震波滿足規范要求；多條時程曲線計算所得結構基底剪力的平均值大于振型分解反應譜法計算結果的80%[4]。因此，該項目直接取振型分解反應譜法的計算結果設計即可，無需調整樓層構件的內力及配筋。

4.2.2 靜力彈塑性分析(pushover)

為確保主體結構在大震作用下具有足夠的延性和抗倒塌能力，該項目采用靜力彈塑性(pushover)分析法驗算了罕遇地震作用下的樓層位移，計算結果表明，該項目X向和Y向層間彈塑性位移角在罕遇地震作用下分別為1/121和1/154，均滿足規范對剪力墻結構層間彈塑性位移角限值的規定[2]。最不利方向(X向)的結構能力-需求曲線如圖4所示。

圖4 X向結構能力-需求曲線

分析結果表明：性能點加載步結構的最大層間位移角出現在計算模型的二十四層～二十八層，此附近樓層的變形相對較大，隨著水平推覆荷載的進一步加大，結構的變形由初期的彈性階段逐步進入塑性發展階段。施工圖設計時對相應樓層的相關構件加強抗震構造措施設計，增強主體結構的整體性，有效控制結構的最大彈塑性位移[5]。

4.2.3 樓板應力分析

該項目樓板開洞較多且不規則，在結構平面布置的中部存在電梯井、樓梯間和局部挑空區域，形成較多的樓板連接薄弱處，為確保水平剪力能夠通過樓蓋結構有效傳遞到豎向構件上，該項目對結構平面上連接薄弱的區域采取加厚樓板的措施，并利用MIDAS

有限元軟件復核位移最大樓層和開洞最大樓層的樓板應力。

經驗算，在設防烈度地震作用下，結構層間位移角最大的第二十八層樓板的最大主拉應力為1.16MPa，結構平面開洞最大的第二十九層樓板的最大主拉應力達到1.52MPa，均未超過C30混凝土的抗拉強度標準值(2.01MPa)，可滿足設防烈度地震作用下樓板不開裂的設計要求。因此，經過采取加厚連接薄弱區域樓板厚度的措施后，水平剪力的傳遞路徑可以得到有效保證。

4.3 抗震加強措施

經過對比分析，該項目在后期施工圖設計時，為保證結構安全，另外采取了以下加強措施：

(1)中震作用下，將出現小偏心受拉的豎向構件的抗震等級提高一級(按特一級構造)。

(2)樓梯間、電梯間前室，大開洞房間周邊連接薄弱區域進行加強，加強區板厚采用140mm，樓板配筋采用雙層雙向布置，且每層每方向的配筋率不小于0.25%。

(3)嚴格控制豎向構件的軸壓比，適當加強位移角較大樓層的構件配筋，以提高整體結構的抗震性能。

5 結語

本文對超高層剪力墻結構住宅樓的設計方法進行了總結。在設計過程中，根據規范判斷項目在扭轉不規則、凹凸不規則方面的超限情況，采用振型分解反應譜法對兩個軟件的計算模型在多遇地震作用下的計算結果進行對比分析，采用彈性時程分析法補充計算驗證，同時采用靜力彈塑性分析法(Pushover)計算了罕遇地震作用下的層間彈塑性位移角，還應用MIDAS軟件對層間位移角最大和開洞最多樓層的樓板進行應力分析，并結合補充計算的結果對抗震構造措施進行了加強。因此，該項目所采用的結構體系具有良好的抗震性能，滿足規范相關要求。

[1] 建質[2015]67號.超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點[S].住房和城鄉建設部,2015.

[2] JGJ3-2010 高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[3] GB50011-2010 建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[4] 朱炳寅.高層建筑混凝土結構技術規程應用與分析JGJ3-2010[M].北京：中國建筑工業出版社，2013：140-141.

[5] 張根俞，朱炳寅，張路,等.某大底盤多塔框支剪力墻結構設計與分析[J].建筑結構，2014，44(5)：57-61.

Design of out-of-codes structure of a high-rise building and Pushover analysis

ZHONGLinhang

(Xiamen Hordor Architecture & Engineering Design Group Co. Ltd, Xiamen 361004)

According to solve the out-of-codes of super high-rise building irregular in torsion, concave-convex and sudden size change. SATWE and PMSAP were used to analyze and compare the results of procedures in case of CQC under multiples resilient earthquake, additional time history and Pushover analysis. appropriate measures were took to strength the earthquake reaction. The results show that the structure has good seismic performance.

Exceeded code limited of a high-rise building; Shearwall structure; Time history analysis; Pushover analysis

鐘林杭(1983.8- )，男，工程師。

E-mail:448667191@qq.com

2017-03-10

TU973

A

1004-6135(2017)06-0084-04