長沙某超高層結構抗震性能設計

李練兵 潘 艷 莫林輝

1 工程概況

本工程位于長沙市開福區，湘雅路與芙蓉中路交匯處的東北角，總建筑面積約46萬m2。

本項目設有四層地下室，1棟超高層公寓（46層）和10棟超高層住宅塔樓（56～57層）。其中裙房商業兩至三層，超高層住宅塔樓結構主體高度為179.220～181.980m左右，均為剪力墻結構。

各塔樓均為為超B級高度建筑。由于各棟塔樓類型相似，本文以高寬比較大的1#B座為代表，進行結構分析，其余棟采用相同的分析方法。

2 設計條件和參數

本工程設計基準期及設計使用年限為50年，設計安全等級為二級，抗震設防類別為標準設防類（丙類），抗震設防烈度為Ⅵ度（0.05g），設計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類，場地多遇地震的特征周期為0.35s，罕遇地震的特征周期為 0.40s[1，2]。

本工程設計采用《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）計算風荷載。根據規范要求，進行風荷載作用下位移計算時采用長沙市50年一遇的基本風壓值0.35kPa；在進行構件承載力計算時，按基本風壓乘以1.1考慮，即0.385kPa。地面粗糙度為C類。風荷載體型系數取1.4。計算時考慮順風向與橫風向風振效應[3]。

風荷載作用下舒適度驗算時，采用《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）規定的10年一遇風荷載標準值0.25kPa，計算時結構阻尼比取0.02。

3 結構體系和布置

本工程塔樓以地下室頂板作為主體結構嵌固端，結構高寬比11.73。根據工程特點，塔樓采用純剪力墻結構體系。

本工程剪力墻布置盡量滿足建筑使用功能要求，1#B棟基礎頂至第五層主要剪力墻墻厚400或350，兩端山墻剪力墻墻厚400到頂，六層及以上主要剪力墻墻厚300，個別墻厚根據軸力為300-250-200。剪力墻混凝土強度等級由C60逐漸遞減至C35。

1#B棟剪力墻平面布置詳見圖1所示。

圖1 1#B標準層結構布置圖

為盡量保證住宅樓內部凈高，住宅內部主梁梁高采用400～600mm。梁混凝土強度等級C30。樓板厚度一般由計算確定，最小厚度100mm，根據板跨度100～140mm；結構弱連接部位板厚140mm；屋面及機房層頂板厚120mm。樓板混凝土強度等級C30。

4 結構超限分析和對策

4.1 結構超限分析

本工程1#B座主體屋頂高度為181.980m，超過規范B級高度部剪力墻結構限值（170m）11.98m，超限值高度7.0%，屬于超B級高度建筑。

除高度超限外，根據《全國超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》[4]相關規定，本工程還存大如下超限情況：①平面不規則：本工程考慮偶然偏心的扭轉位移比大于1.2，屬扭轉不規則；②樓板不連續：奇數層樓板開大洞，樓板有效寬度小于50%，開洞面積大于30%，錯層大于梁高。

根據上述分析，本工程為超B級高度，一般規則性超限項為二項，無特別不規則項，屬于高度超限、不規則超限的高層建筑，需進行超限抗震專項審查。

4.2 結構抗震性能目標

綜合考慮本工程抗震設防類別、設防烈度、場地條件、結構自身特性、經濟性和安全性等因素，本工程的結構抗震性能目標擬定為C類。

4.3 抗震加強措施

針對超限情況，結合本工程特點，在結構抗震構造方面采取了一系列的措施，確保抗震性能目標的實現，保證結構的安全。

在結構抗震構造方面采取的加強措施主要有：①加強穿層剪力墻墻身配筋率不小于0.5%，墻厚不小于300；②由于結構超B級高度，底部五層剪力墻在滿足規范穩定性要求的前提下均適當加強，主要剪力墻厚度均不小于350mm；控制底部加強區剪力墻軸壓比不大于0.55，加強剪力墻底部加強區墻身配筋率至0.35%；③三層約束邊緣構件層以上兩層設置過渡層，抗震等級按二級，其邊緣構件豎向鋼筋配筋率采用1.0%，體積配箍率特征值取0.15，剪力墻墻身配筋率0.30%；④奇數層及避難層開洞區域一側板厚加厚至120～140并雙層雙向布筋。

5 結構彈性分析

5.1 計算分析概述

結構彈性階段（多遇地震）的設計分析采用北京盈建科軟件股份有限公司YJK、北京邁達斯技術有限公司的MIDAS/building軟件分別進行計算。

分析中考慮了偶然偏心和雙向地震作用，振型組合方法采用考慮扭轉耦連的CQC方法，考慮本工程隔墻情況，周期折減系數為0.85，結構阻尼比取值為0.05，連梁剛度折減系數取值為0.7，按規范要求考慮重力二階效應。

5.2 結構周期與振型

兩種軟件計算得到結構第1振型、第2振型均為平動振型，第三振型為扭轉振型，且計算結果接近。YJK計算的T1=4.938s，T2=4.889s，Tt=4.889s，結構第1扭轉振型與第1平動振型的比值，YJK計算結構為0.44，MIDAS的計算結果是0.44，均小于規范限值0.85。

5.3 結構主要指標參數

多遇地震和風荷載作用下，計算得到的結構。

主要指標參數結果見表1。可以看出，兩種軟件的分析結構比較接近，最大層間位移角及位移比均滿足規范要求且有較大富余，說明結構整體剛度較大。X向和Y向風荷載作用下的基底剪力均大于地震作用下基底剪力，結構指標為風控。

在重力荷載代表值與多遇地震水平地震及風荷載標準值共同作用下，滿足《高規》12.1.7條結構高寬比大于4時基礎底面不宜出現零應力區的規定，且多遇地震下抗傾覆彎矩比值遠大于3.0，表明多遇地震下結構的抗傾覆能力具有足夠的安全儲備。

表1 結構主要指標參數

5.4 彈性時程分析

采用YJK對塔樓進行小震彈性時程分析，以作為結構小震反應譜分析的補充計算。

本工程彈性時程分析采用3條地震波輸入，2條為地面加速度記錄時程TAI02769、USA00622，另1條為場地人工波RH4TG035。調整后各波峰值加速度為18gal，主次方向的有效峰值加速度比為1：0.85。彈性時程分析結果略。

彈性時程分析結果表明：①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的65%；三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的80%，地震波的選擇滿足規范要求。②結構在地震作用下的基底剪力大多數均小于CQC法的樓層基底剪力值。個別地震波頂部樓層地震剪力略大于CQC法，但超出幅度未大于5%，可以采用CQC法計算結構地震力。③3組時程分析的最大層間位移角均小于CQC計算結果，且結構最大層間位移角均滿足規范要求。

6 罕遇地震作用下動力彈塑性分析

本工程為超限高層結構，根據規范要求和既定抗震性能目標，應進行大震彈塑性分析。本工程設計中，采用廣州建研數力建筑科技有限公司開發的PKPM-SAUSAGE（PKPM Seismic Analysis Usage），對塔樓進行了罕遇地震作用下的動力彈塑性時程分析。

彈塑性時程分析時，選用一條人工地震波，兩條天然地震波。人工波選用特征周期為0.40S對應的地震波RH1TG040，天然波采用TH101TG040，TH052TG040。本項目不考慮豎向地震作用，地震波采用雙向輸入，輸入主方向峰值加速度按規范調整取為125gal。主方向與次方向峰值的比值為1：0.85。

由大震彈塑性計算結果可知，在選取的三組罕遇地震波彈塑性時程分析中，X向最大層間位移角出現在人工波RH1TG040作用下，其值達到1/291，出現在第22層，Y向最大層間位移角亦出現在人工波RH1TG040作用下，其值為1/279，出現在第41層，均滿足規范限值1/120的要求，兩向頂點位移峰值最大值分別為479mm和513mm，結構未出現倒塌現象，實現了大震不倒的設防目標。小震反應譜作用下的基底剪力（考慮到一層底）X向和Y向分別為2446kN和2734kN，各組地震波作用下的最大基底剪力，X向和Y向分別達到14031kN和17661kN，分別為小震反應譜作用下的5.73倍和6.46倍。結果表明大震作下的基底剪力與小震下的基底剪力比值偏大，說明結構偏剛，結構布置因高寬比較大而由風荷載控制，地震作用下結構偏安全。

圖2人工波R1作用下構件的性能水平

圖2 為人工波1作用下剪力墻和連梁和框架梁等耗能構件的損傷情況。在大震作用下，剪力墻絕大部分無損壞，少部分出現了輕微損壞，極少部分出現了輕度損壞，無任何重度損壞及嚴重損壞，底部加強區剪力墻絕大部分無損壞，局部出現輕微損壞，滿足性能目標要求。連梁和框架梁在大震下損傷耗能效果明顯，部分出現了輕微損壞及輕度損壞，小部分出現了中度損壞及重度損壞，甚至部分出現嚴重損壞，耗能作用明顯，滿足性能目標要求[4]。

7 結論

（1）塔樓的彈性分析表明結構整體動力特性規則，主要整體指標滿足規范限值要求；

（2）對結構提出了抗震性能目標，并采取了相應的加強措施，保證抗震性能目標能夠實現；

（3）進行了彈塑性時程分析，對結構的變形和相關構件的性能進行檢查，結果表明在大震作用下結構的最大層間位移角小于1/120，相關構件的性能滿足既定的性能目標要求。

通過以上工作，我們認為結構設計能夠實現抗震規范“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防要求，結構設計是安全的，可為類似工程提供參考與借鑒。

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

[2《]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，2011．

[3《]建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）[S]．北京：中國建筑工業出版社，2012．

[4]建質[2010]109號超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點[S]．2010．