某超限高層框架結構設計

徐曼妮 劉一斌 王海霖

摘 要：某框架結構高度不超限，但存在扭轉不規則、凹凸不規則及尺寸突變不規則項，同時存在斜柱局部不規則，屬超限高層。在設計中采用抗震性能化設計方法，選用適當的抗震性能目標，并對結構進行了重力荷載、風荷載及溫度作用分析，結合抗震概念設計，采取了適當的加強措施，保證了結構即安全又經濟。

關鍵詞：性能化設計;抗震;超限高層

近年來，隨著建筑使用功能、立面效果的要求提高，復雜超限高層建筑越來越常見，如何保證這類建筑的安全、經濟成為一個結構工程師必須要面對的課題。對此類結構采用性能化設計是一個合理、有效的解決方案，本文以某復雜超限框架結構為例，說明了超限高層框架結構設計的具體過程。

1、工程概況

本項目為一座集商業展示、會議、辦公、餐飲為一體的建筑物，項目總建筑面積107810平方米，地上建筑面積48467平方米，地下室建筑面積59343平方米，地上七層，地下三層，建筑高度為36.1米，地上最大平面尺寸為124×111米。本項目在外立面設計上采用圓弧、曲線等展現出動態的輪廓效果，裙房外立面采用傾斜式玻璃幕層層收進，塔樓在空間上看有四條明顯的縱肋，四角幕墻呈從下到上收進的弧形。結合建筑造型，結構柱網主要呈弧形，塔樓四角傾斜式幕墻處結構采用斜柱處理。

2、荷載

根據《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012），本工程所在地50年重現期基本風壓Wo=0.65 kN/m2，建筑物地面粗糙度類別為B類。50年重現期基本雪壓So=0.45 kN/m2，雪荷載準永久值系數分區為Ⅰ區。抗震設防烈度為7度，設計基本加速度為0.10g，設計地震分組為第一組，特征周期為0.35s，場地類別為Ⅱ類。施工階段溫降工況荷載為 -48℃，溫升工況荷載為40.7℃;使用階段溫降工況荷載為-41℃，溫升工況荷載為22℃。

3、結構超限分析

本工程存在扭轉不規則、凹凸不規則、尺寸突變不規則項，同時存在斜柱局部不規則。

根據《超限高層建筑工程抗震設防管理規定》（建設部令第111號）、《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》（建質[2015]67號），本工程屬超限高層。

3.1性能目標

針對本工程超限類型，采取了結構抗震性能化設計的措施。結構抗震性能目標按照《高層建筑混凝土結構積水規程》（JGJ3-2010）第3.11節內容執行，綜合考慮結構不規則項、建筑的功能和規模，設定結構抗震性能目標為C級，結構各部位構件性能化設計的具體要求如表1所示。

3.2分析內容

（1）對結構進行了重力荷載、多遇地震及風荷載計算，采用YJK和MIDAS兩個軟件相互校核指標，確保結構計算模型的準確性。

（2）采用YJK軟件對結構進行整體模型和兩塔樓分開的模型（單塔模型）進行計算比較，按二者包絡設計配筋。

（3）采用YJK軟件對跨度較大區域樓板進行舒適度分析，保證樓板舒適度滿足要求。

（4）采用YJK軟件對整體結構進行溫度作用下的樓板應力分析，發現溫度作用的薄弱部位。

（5）多遇地震時程分析采用YJK進行計算，分析結構在地震波作用下的反應，并將樓層剪力與CQC結果進行對比。

（6）采用YJK進行中震性能判別，分析結構在設防地震下的工作情況。通過不同的參數設定，分別驗算中震不屈服和中震彈性兩種工況，復核不同構件的中震性能水準，作為調整構件截面、配筋的設計依據。

（7）采用YJK軟件按等效彈性方法計算指定構件是否在大震下滿足抗剪不屈服性能目標。

（8）采用YJK-EP進行動力彈塑性時程分析，分析結構在罕遇地震下的薄弱部位、構件塑性發展及破壞順序，驗證大震不倒的整體目標和各類構件的大震性能水準。

3.3 分析結果及加強措施

針對本工程超限情況及設計中的關鍵技術問題，在設計中采取如下補充分析及加強措施，提高結構的抗震性能。

（1）采用YJK和MIDAS進行剛性板假定下的整體指標對比，互相校核重力荷載、地震作用及風荷載下的計算結果，確保結構整體計算指標準確可靠，計算結果表明兩個計算軟件的各項指標較為接近，說明模型真實可靠。結構計算的周期比為0.877，其它各項指標滿足規范要求。

（2）對結構整體模型和兩塔樓分開的模型（單體模型）進行了對比，計算結果表明單塔模型計算的樓層剪力比整體模型小，結構設計時仍偏于安全的按單體模型與整體模型包絡設計。

（3）利用YJK進行了小震彈性時程分析，地震波采用五條天然波和二條人工波，對時程分析的樓層平均剪力與CQC法樓層剪力進行了比較，各樓層彈性時程計算結果均小于CQC法，故配筋設計時可僅按CQC法計算。各條地震波作用下，X、Y向的最大層間位移角分別為1/1306（2F）、1/1377（2F），小于限值1/550，滿足規范要求。

（4）對斜柱、四層塔樓間裙房柱及多塔收進影響的柱采取提高一級抗震等級的措施，提高薄弱位置構件的安全性。對特一級框架柱，除按《高規》3.10.2條采取放大內力、提高加密區配箍特征值（增加0.02）、提高配筋率（中、邊柱≥1.4%，角柱≥1.6%）的措施外，對軸壓比大于0.6的柱，通過在柱的截面中部設置芯柱（芯柱配筋率不小于柱截面面積的0.8%）來提高其延性。

（5）對結構各構件設定了不同水準下的性能目標。框架柱按抗中震抗剪彈性、抗彎不屈服設計，與斜柱相連框架梁采用中震抗彎、抗剪不屈服設計;對斜柱、四層塔樓間裙房柱、塔樓與裙房交界處柱（1～5F）采用大震抗剪不屈服設計，并控制其大震損傷程度為輕微損壞，所有豎向構件均需滿足大震受剪截面控制條件。對需按中震、大震設計的構件，最終配筋結果均與小震結果進行包絡。

（6）考慮到二～五層兩塔樓間樓板受力復雜，對其樓板加厚至150mm（三層考慮減輕密肋樓蓋自重，板厚取100mm），采用雙層雙向配筋，每層每方向配筋率不小于0.25%，并對其按中震受拉不屈服計算結果復核，同時保證其在罕遇地震作用下抗剪不屈服，以確保水平地震力的有效傳遞。

（7）對跨度較大區域樓板進行了舒適度分析，結果表明舒適度滿足要求。

（8）對樓板進行了溫度應力分析，對溫度影響較大的的地方采用加強配筋的方式抵抗溫度應力，對溫度應力集中的洞口邊樓板采用在板中增設鋼筋網片處理。

（9）考慮結構體型較復雜，本工程考慮重力荷載、地震與風荷載同時參與組合。

（10）對南北兩側幕墻鋼構架與主體結構之間采用弱連接（上端鉸接、下端滑動），弱化對主體結構的剛度貢獻，達到減小其參與整體地震、溫度作用的效果，實現其作為整體結構的附屬構件。鋼構架強度及穩定均滿足要求，對撓度不滿足要求的地方采用起拱處理，對折梁節點利用ansys軟件進行了節點細化分析，確保節點的安全可靠。

3.4 結論

本工程為框架結構，高度36.1m，高度不超限，但存在扭轉不規則、凹凸不規則及尺寸突變不規則項，同時存在斜柱局部不規則，屬超限高層。在設計中采用抗震性能化設計方法，根據抗震設計原則及本工程特點，對整體結構進行了詳細分析，主要結論如下：

（1）通過彈性計算，結構各項指標基本滿足規范的要求，結構沿豎向剛度變化較均勻，沒有產生薄弱層。同時對斜柱、塔樓與裙房交界處柱等關鍵構件及與斜柱相連框架梁采取了更嚴格的抗震性能要求，保證了結構的整體抗震性能。

（2）塔樓裙房間連接樓板要協調兩塔的振動，受力復雜，對此進行了相應的加強，并進行了詳細的應力分析，保證樓板中震受拉不屈服，大震抗剪不屈服，確保地震作用下能有效傳遞水平力。

（3）大震下，結構層間位移角滿足規范要求，實現“大震不倒”，結構大部分構件只出現輕微損壞，并且損傷部位主要在框架梁上，結構形成抗震性能較好的“梁鉸”破壞機制，具有較強的耗能能力和內力重分部能力。

綜上所述，本結構除能滿足豎向荷載和風荷載作用下的有關指標外，抗震性能目標滿足C級的要求，設計合理有效，安全可行。

4、結束語

本文以某超限高層框架結構為例，介紹了結構超限類型，并針對結構超限特點采取了諸多補充分析及加強措施，保證了結構即安全又經濟，可供此類結構設計時參考。

參考文獻

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