超高層建筑抗震性能設計分析

中國建筑東北設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110000

1 工程概況

某大廈為高層辦公寫字樓，總共54層，其中地面50層、地下4層，建筑總面積為94167m2，主體高度為168m。地上第1～4層是商業用房，第4層的頂部建立設備層；第5～50層為辦公用房；地下第1～4層是地下停車場，地下第4層建立甲六級的人防掩蔽工程場所。該大廈的主體結構為鋼筋混凝土的框架及核心筒的結構，設計年限為50年，抗震為乙類，安全等級為二級，設計地震的分組為第一組，抗震烈度為6度，場地為Ⅱ類，特征周期為0.35s，設計地震加速度為0.05g。

2 結構抗震預期性能和目標

依據項目的實際特點，并和建設方進行協商后明確抗震的設計需要達到《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）中的性能要求。

（1）小震作用（αmax=0.05）：未對性能的等級造成破壞，且層間位移角未達限值1/800，符合標準彈性的要求，主體的結構構件抗震的承載力符合規范，全部構件在彈性工作的狀態。

（2）中震作用（αmax=0.13）：對性能等級造成的損壞可修復，層間位移角的限值為1/400，主體框架柱在彈性狀態，剪力墻的抗剪承載力在基本彈性下，框架梁允許部分進入塑性，剪力墻連梁允許部分進入塑性，剪力墻受彎承載力允許部分進入塑性。

（3）大震作用（αmax=0.33）：性能等級達到無倒塌，層間位移角的限值為1/200，剪力墻和框架柱可以進入塑性，但對變形能控制，符合抗剪截面的最低標準，剪力墻連梁可入塑性，框架梁可入塑性，并且需要符合抗剪截面的最低標準，剪力墻的受彎承載力可入塑性，但能控制拉應力。

3 結構整體的分析和計算

3.1 小震下反應譜彈性

此次選擇使用SATWE與Midas Building兩種軟件，分析時的相關參數如下：風荷載w0=0.40kN/m2，地面的粗糙程度設定為B類；地震影響系數αmax=0.04，另外需要考慮偶然偏心與雙向地震，因此計算時的振型數設為24；剪力墻和框架的結構抗震等級均為一級。SATWE與Midas Building的彈性計算結果對比如表1所示。

表1 SATWE與Midas Building的彈性計算結果對比

由表1可知，不同的軟件顯示的彈性的結果大致相同，各項指標也屬于正常狀態，符合相關的標準和規范，建筑的整體結構穩定驗算達標。在建筑中部的一些樓層內，偶然偏心地震的作用下，樓層出現的最高位移比高于1.2，但均低于標準限值1.4。另外，由于Y方向長，X方向偶然的偏心距離大，并且結構在第1階的扭轉周期與平動周期的比值小于0.8，進一步表明建筑結構抗扭轉的性能十分高。總之，在小震的分析內，該建筑的結構在各項控制的指標中完全符合標準，并且構件抗震的承載力和層間位移也完全符合當前的相關標準和規范。

依據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）的相關標準和要求，對高于150m的建筑結構要求其具備良好使用的各項基本條件，并滿足舒適度的控制標準要求。通過詳細的分析和計算，此次研究的建筑結構頂點的最大加速度為0.05m/s2，低于標準限值，因此該建筑具備良好的舒適度。

3.2 中震彈性分析

依據對性能的設計要求，針對建筑的結構開展中震彈性分析，剪力墻與框架柱受剪承載力依據中震的彈性標準進行設計，剪力墻的受彎承載力則根據中震不屈服進行設計。使用SATWE計算軟件進行計算，考慮中震彈性設計的最高影響系數，取αmax=0.12，并保留荷載分項系數與材料分項系數，但不需要考慮結構抗震內力的調整系數、增大系數，以及承載力的抗震調整系數γRE。在設計中震不屈服時，最大影響的系數依據中震進行考慮，材料與荷載的分項系數為1.0，鋼筋與混凝土使用強度標準值。

最終的計算結果顯示，在中震下建筑的框架柱符合彈性，剪力墻受剪承載力也符合基本的彈性，剪力墻的受彎承載力也達到標準，而在中部的一部分剪力墻連梁出現超筋的情況。

3.3 結構彈性時程的分析

對小震的反應譜法結果進行核對，對比其和SATWE彈性的分析結果。依據Ⅱ類場地波庫采用天然波TH2TG035、TH3TG035和人工波RHITG035開展彈性時程的對比分析，最終的分析顯示，時程的分析結構底部的剪力平均≥反應譜法的80%，并且在地震波下的結構底部，其剪力≥反應譜法的65%，完全符合標準和規范。

3.4 結構靜力彈塑性的分析

使用Midas Building對靜力彈塑性進行分析，于各框架梁的梁端和框架柱柱端設立框架鉸，于墻體設立墻鉸。以X方向、Y方向的地震層剪力來確定分布荷載為加載的模式，并將位移的增量當作增量的控制，然后開始X方向、Y方向的靜力彈塑性分析。模擬建筑受力時，在靜力彈塑分析前考慮恒荷載與活荷載下初始內力與變形，因此設定初始荷載為1.0×恒荷載值+0.5×活荷載值。據結果顯示，X方向、Y方向的能力譜和地震需求譜的曲線存在交點，進一步證明建筑結構具有一定的抗倒塌能力，完全能起到抵抗地震的作用，符合“大震不倒”標準。在大震下，X方向、Y方向產生的層間位移角最大分別為1/361、1/365，符合大震下的限值標準。另外，在X方向、Y方向的等效阻尼比分別為9.065%、2.11%。依據能力譜的最終結果，證明建筑結構的性能在“小震不壞”與“大震不倒”間，但距“大震不倒”還存在一些富余，整體結構在強度方面處于上升段。

在建筑結構的X方向，梁鉸的出現順序與部位如下：（1）當建筑結構的頂點位移處在小震水平之前，大概67mm時，結構保持彈性，未發現塑性鉸的出現。（2）當建筑結構的頂點位移處在中震水平，大概192mm時，在建筑的第24～50層出現第一批塑性鉸，然后隨之出現更多的塑性鉸，出鉸單元比為0.8%。（3）當建筑結構的頂點位移處在大震水平，大概371mm時，塑性鉸依據樓層進行上下式的發展，并逐步連通全層，但是即使在大震水平，其出鉸單元比也較低，只有6.0%。

4 地基基礎

此次工程基礎設計的等級依據標準為甲級。根據現場的實地勘查報告，顯示現場地勢比較平坦，標高在46.3～47.8m，現場的土層由上至下依次為3～6m的雜填土層、2.1～2.2m的淤泥質土層、0.9～2.2m的沖積土層、1.5～5.5m的洪積土層、0.4～6.1m的殘積粉質黏土層、0.6～8.6m的強風化泥質粉砂巖層、22.7m的中風化泥質粉砂巖層，在鉆孔的有效深度內未出現斷裂構造和新構造，并且擬建現場并無對建筑穩定造成影響的不良地質。

在該建筑的場地范圍，中風化的泥砂礫巖層能夠設計成樁端的持力層，該層的埋深在18～21m，由于該建筑地下一共4層，在經過全面綜合性的分析后決定使用人工挖孔灌注的基礎樁，并確定樁端的持力層為中風化泥質粉砂巖，框架柱下為一柱一樁，剪力墻與筒體則使用多樁的聯合承臺方案。

該工程的高層與地下的荷載存在較大的差別，但持力層是中風化的泥砂礫巖，并且實際的計算結果顯示兩者沉降的變形差較小，在主體施工時利用設立后澆帶來降低變形差，確保能夠達到相關標準，且該建筑不設置沉降縫。

5 結束語

此次設計的建筑為B類高層建筑，考慮到偶然偏心的作用，故在設計時使用基于性能的設計方案，這樣可以進一步確保結構設計合理，然后對建筑結構開展多模型和多軟件的分析。最后結果表明，建筑結構在風荷載和小震以及中震和大震下完全符合設計的預期，并且滿足各項標準和規范。