某B級超限高層主體設計研究

王 康

(廈門合立道工程設計集團股份有限公司 福建廈門 361009 )

1 工程概況

該工程地處河南省洛陽市新區行政廣場南側，地上部分由兩棟166m(屋架高度180m)左右超高層建筑及5層附屬裙房建筑組成，地上總建筑面積約為13.8萬m2；地下部分為分布于主樓及裙房下方兩～三層地下室，地下總建筑面積約5.89萬m2。其中國際酒店，下文簡稱“西樓”地上建筑面積7.7萬m2，地下建筑面積3.5萬m2。西樓主體地上為35層商業及酒店，主體結構高度(計算至主屋面)為165.95m(屋架高度180m)，地下室3層。上部建筑標準層層高3.6m，底層層高6.0m，底部商業層高為5.2m、6.0m，頂部8層產權式酒店層高為6.9m；地下室層高4.2m、5.5m。本棟樓高寬比5.20, 長寬比1.97；建筑效果圖見圖1，剖面圖、主要建筑平面圖如圖2～圖4所示。

鑒于地上兩棟超高層的相似性，本文選取西樓進行介紹。

圖1 效果圖 圖2 剖面圖

圖3 建筑標準層平面1(下部)

圖4 建筑標準層平面2(上部)

2 結構設計依據

(1)該工程按國家及河南省頒布的現行有關規范、規程進行設計。

(2)由建設單位提供的地質勘查報告及場地地震安全性評估報告。

3 結構材料

(1)混凝土，主體采用的混凝土強度等級為C35～C60。

(2)鋼筋，受力鋼筋、箍筋均采用HRB400(fy=360N/mm2)；構造、分布鋼筋均采用HPB300(fy=270N/mm2)。

(3)鋼材和焊條，主要受力構件采用Q345B鋼材(鋼材性能需符合相關規范規定)；施工所用的焊條、焊絲、焊劑等均符合相關規范規定。

4 結構體系設計

結合建筑功能布局要求，該棟建筑采用了框架—剪力墻結構體系，剪力墻、框架的抗震等級均為一級，其中在建筑第5、7、27層剛度或層高突變樓層，剪力墻、框架的抗震構造措施為特一級[1]。

主體框架柱采用內設十字鋼骨的型鋼混凝土柱，框架柱截面由下至上為1300×1300～1100×1100；主要剪力墻截面由下至上為700～500；框架梁采用普通混凝土矩形截面，其截面為500×700～700×800，樓(屋)面采用普通混凝土樓板，厚度為120～150。

小震下采用規范值與“安評報告”反應的較大者進行計算分析[1]，該工程安評報告大于規范值，結構阻尼比取4%，結構計算以地下室頂板為嵌固部位，并將地下室帶入整體模型進行計算分析。

典型標準層結構平面布置如圖5～圖6所示。

圖5 典型標準層結構平面布置圖1(下部)

圖6 典型標準層結構平面布置圖2(上部)

5 超限類型和程度

依據建設部《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)[2]，該棟建筑超限類型為高度超限(超B級高度)。

其余不規則類型分別為：

(1)扭轉不規則，規定水平力下考慮偶然偏心時裙房層以上樓層最大層間位移與平均層間位移比值為1.29。

(2)側向剛度不規則，建筑第4～6層側向剛度小于相鄰上層側向剛度的70%及上部上層剛度平均值的80%。

6 針對超限情況進行分析驗算和采取的加強措施[1-2]

(1)采用彈性時程分析方法進行多遇地震的補充計算(選取安評報告所提供的參數)；

(2)采用PUSH—OVER靜力彈塑性分析方法補充結構在罕遇地震下的變形反應；

(3)分別采用SATWE、PMSAP、MIDAS進行結構整體內力、位移的計算分析并比對；

(4)設定該棟建筑的性能目標為C級；

(5)合理選擇豎向構件斷面及柱內鋼骨尺寸，避免出現明顯薄弱層；

(6)合理調整側向構件布置使之均勻對稱，減少結構的扭轉效應；

(7)針對樓層局部開大洞情況，加強其相鄰范圍的樓板設計。

7 抗震設計參數及性能目標

針對該工程高度超B級限值較多的特點，對結構進行計算和分析時，嚴格按照現行規范或高于現行規范的標準，采用基于性能的抗震設計方法，以量化分析手段，使結構滿足規范要求的“小震不壞、中震可修、大震不倒”的三水準建筑抗震設防目標[3]。

按現行規范及相關資料，抗震設計采用的相關參數詳見表1。

表1 主要參數

基于性能的抗震設計是建筑結構抗震設計的一個重要發展，它使抗震設計從宏觀性的目標向具體量化的多重目標過度，設計者可選擇所需的性能目標。該工程的抗震性能目標見表2[1]。

表2 結構抗震性能目標

8 結構分析結果

(1)小震及風載作用下：本棟建筑采用SATWE，PMSAP，MIDAS三種不同力學模型的有限元程序進行整體彈性計算分析，各項分析結果見表3～表6(小震作用采用安評報告提供地震波曲線)。

(2)同時采用中震和大震作用對相應性能目標要求進行驗算復核，結果顯示本棟建筑性能目標均能達到既定目標。

表3 主樓結構分析主要結果對比

表4 主樓SATWE分析結構位移主要結果

表5 主樓PMSAP分析結構位移主要結果

表6 主樓MIDAS分析結構位移主要結果

9 該工程特性及處理方案

(1)該工程高度超過150m且基本自振周期大于4S，采用彈塑時程分析法補充計算：結構在完成40s動力時程分析后，最終仍保持直立，滿足“大震不倒”設防目標；結構主體最大層間位移角1/161，小于規范限值1/100，且有害位移角數值較小。

(2)該工程高度超過B級且存在局部規則性不夠和周期比、位移比接近限值，對關鍵部位構件進行加強，并按特一級考慮抗震構造，如底部加強區剪力墻(含短肢剪力墻)、框架柱。

(3)補充屈服狀態評價：根據EPDA分析結果，結構在罕遇地震作用下表現出明顯的非線性特征，其特征大致顯示為以下兩種形式：

①情況1：某些地震波作用下在地震初期，剪力墻底部及建筑27層側向剛度突變樓層附近剪力墻首先開裂，繼而墻面更多部位開裂，一些連梁及框架水平構件也開始開裂。隨著地面運動的加劇，剪力墻連梁的個別部位開始屈服，不久后框架的部分水平構件也出現屈服。在結構達到峰值位移左右，剪力墻連梁及框架的水平構件出現嚴重的破壞，個別位置底部剪力墻端柱破壞比較嚴重(設計時，在該部位端柱內設置鋼骨，以提高其承載力及延性)；

②情況2：某些地震波作用下在地震初期，一些連梁及框架水平構件開始開裂，剪力墻連梁的個別部位開始屈服，不久后框架的部分水平構件也出現屈服。隨著地面運動的加劇，剪力墻底部及建筑第27層側向剛度突變樓層附近剪力墻首先開裂，繼而墻面更多部位開裂，在結構達到峰值位移左右，剪力墻連梁及框架的水平構件出現嚴重的破壞，個別位置底部剪力墻端柱破壞比較嚴重。

針對此種分析結果，設計時在這些關鍵部位的墻體端柱內設置鋼骨，以提高其承載力及延性。

(4)補充分析并提供抗震性能設計中、大震作用下相關關鍵結構構件的計算分析，保證其在中、大震作用下的性能目標。

(5)進一步對結構局部規則性(如大開洞、穿層柱豎向轉換、較大懸挑等)補充認定，并按規范規定采用有針對性特別加強措施。

①對大開洞周邊樓板進行加厚，設置雙層雙向鋼筋網片，提高配筋率，并采用彈性樓板加設進行計算分析；

②局部穿層柱，摘取其正常工況及中震作用下的軸力和彎矩，進行壓彎性能復核，保證其實際受力在性能曲線以內，并對穿層范圍配筋的整體性提出要求；

③對于較大懸挑構件，考慮豎向地震組合，并嚴格控制其變形值；

(6)該工程周期比(T/T1≤0.85)接近或超過限值時，適當調整抗側力結構的布置，增大結構的抗扭剛度。

10 工程現狀

截稿時，該工程已經竣工驗收，內部裝修均已經到位，根據現場各階段觀測記錄，目前主樓基礎沉降變形最大值在19mm以內，各部位結構構件外觀及相關檢測數據均復合要求。建筑主體已施工、裝修完畢，社會、經濟效果良好。

11 結語

(1)對于超過B級高度的超限項目，應與建筑專業協商，盡可能控制其其余項次的超限數量及超限程度，結構設計師需綜合應用各種結構設計分析手段，采用合理的假定進行對比分析，使結構方案合理。

(2)當結果指標顯示異常時，盡量使用不同力學模型的計算軟件進行對比分析，找出出現異常的原因，并進行針對性的處理。

(3)采用合理的性能化設計目標，并對由不同分析手段得到的關鍵薄弱構件進行針對性加強，使得結構體系能夠達到預定的性能化目標。

本文通過對西樓的設計梳理、總結，可為類似的超過B級高度的超限項目超限設計提供明確思路及相應措施參考。