某高層建筑的結構超限設計可行性分析

溫東平

（廣州城建開發設計院有限公司，廣東廣州 510000）

高層建筑結構超限設計過程中，應該對設計規范進行有效的把控，按照設計規范設計，同時計算分析結構超限，確保超限設計可行。

1 工程概況

項目位于廣州新塘鎮，共5 棟超限高層剪力墻結構住宅建筑，其中三棟為50 層，高度為163.35m；兩棟為44 層，高度為145.95m。本超限可行性報告僅取其中一棟（50 層）進行超限設計分析論證。

超限情況：B 級高度超限、扭轉不規則、凹凸不規則、樓板不連續。

2 結構超限計算分析措施

①按廣東省《高層建筑混凝土結構技術規程》（DBJ/T 15－92—2013）（以下簡稱省《高規》）采用抗震性能設計，通過對結構進行小震、中震和大震下的計算分析，保證整體結構達到性能C的抗震性能目標；②取規范反應譜作為小震計算分析的參數，采用YJK 和Building 兩個不同的力學模型的空間結構分析程序進行比對，判斷計算模型的合理性；③選取2 組人工地震波和5 組實際地震記錄波對結構做小震作用下的彈性時程分析，取其平均值與CQC 法兩者間的較大值用于構件設計；④采用YJK 進行中震作用下的性能分析；⑤采用YJK 進行大震作用下的性能分析；⑥罕遇地震作用下，采用YJK 進行靜力彈塑性分析，驗證結構能否滿足大震階段的抗震性能目標，并尋找薄弱部位，對薄弱部位制定相應的加強措施；⑦整體穩定性驗算；⑧核心筒周邊樓板大震及風荷載下的應力分析；⑨超限加強措施。

3 設計條件

（1）地震作用參數根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）（以下簡稱《高規》）第 4.3.7 條規定取值。

（2）風荷載根據《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012）（以下簡稱《荷規》）取值，考慮風力相互干擾效應系數1.05。

（3）樓面荷載按《荷規》取值。

4 抗震性能設計

根據本工程的抗震設防類別、設防烈度、結構類型、超限情況，按照省《高規》第3.11 節，設定結構抗震性能目標為性能C，小震性能水準為1，中震為3，大震為4。

5 抗震性能設計

（1）采用YJK 對結構進行整體彈性靜力分析，同時采用Building 對計算結果（見表1）比較分析，從結果可知：兩個軟件計算結果基本接近，計算結果合理有效，可作為設計依據；層間位移角滿足省《高規》第3.7.3 條的要求；側向剛度比滿足《高規》第3.5.2條的要求；樓層受剪承載力比滿足省《高規》第3.1.4 及3.5.3 條要求；剛重比大于1.4，滿足省《高規》第5.4.4 條要求，X 向小于2.7，考慮重力二階效應。

表1 兩個計算模型結果

（2）根據《建筑抗震設計規范（2016 年版）》（GB 50011—2010）第5.1.2 條和《高規》第4.3.4 條規定，采用時程分析法進行多遇地震下補充計算。選用不少于5 組實際強震記錄和2 組人工模擬的加速度時程曲線，計算結果取時程法的平均值和振型分解反應譜法的較大值，多組時程曲線的平均地震影響系數曲線與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線在統計意義上相符。彈性時程分析時，每條時程曲線計算所得結構底部剪力不小于振型分解反應譜法計算結果的65%，多條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值不小于振型分解反應譜法計算結果的80%。所選地震波與規范反應譜在統計意義上相符，滿足《高規》4.3.5 的要求；時程曲線與CQC 法計算產生的基底剪力分析詳見表2。

表2 基底剪力

6 中震性能分析

根據廣東省《高規》第3.11.3 條規定，對中震的第3 性能水準采用等效彈性方法計算，控制大部分構件在中震下的受彎及受剪承載力滿足第3 水準的要求，施工圖設計時取豎向構件及核心筒斜梁的中震驗算結果與小震彈性計算結果的大值進行設計。中震X 向基底剪力10182.11，Y 向11636.36，與小震之比X向為 2.70，Y 向為 2.77.

7 中震性能分析

根據廣東省《高規》第 3.11.3 條規定，第 3、4、5 性能水準的結構宜以大震彈性地震力控制豎向構件的受剪截面，以保證不發生剪切破壞。采用YJK 進行大震作用下的等效彈性計算。計算結果顯示各墻柱及核心筒周邊斜梁的組合剪壓比均滿足規范要求，在大震作用下底部加強部位剪力墻的豎向構件及核心筒周邊梁的受剪截面均滿足規范要求。

8 大震彈塑性分析（PUSHOVER）

按省《高規》第3.11.4 條規定，對高度不超過300m 的超高層建筑，如結構較規則，且基本振型的質量參與系數不小50%的結構可采用靜力彈塑性方法。

Pushover 分析結果表明，罕遇地震作用下結構的彈塑性層間位移角能滿足小于1/150（最大為X 向1/377）的要求，基底剪力也在合理范圍內（X 向18583.96；Y 向19911.39；與小震之比X向為4.94；Y 向為4.74）；性能點處各構件的性能狀態表明局部剪力墻處于輕微損傷狀態，大部分剪力墻完好；結構具有較大的承載力及較好的延性，能夠滿足“大震不倒”的抗震設計目標。

9 結構舒適度驗算

根據《高規》第3.7.6 條，高層混凝土建筑結構應滿足風振舒適度要求，在10 年一遇風荷載標準值作用下，結構頂點順風向和橫風向振動最大加速度計算值不應超過0.15m/s2限值（計算最大值0.086m/s2），滿足規范要求。

10 整體穩定性驗算

本工程建筑高寬比5.25 且無地下室，基礎埋深不滿足規范要求。補充在風荷載、小震、中震和大震作用下整體抗傾覆驗算，結構在所有工況下均未出現零應力區，滿足要求。

11 風荷載、大震作用下核心筒及連接薄弱處樓板應力分析

風荷載、大震作用下核心筒及連接薄弱處樓板應力分析結果滿足大震抗剪不屈服，抗彎不屈服。

12 超限加強措施

（1）對底部加強區域損傷比較集中的墻體，底部加強區分布筋配筋率提高到0.3%，約束邊緣構件最小構造配筋率提高至1.2%；非底部加強區外圍墻肢構造邊緣構件配筋率提高至0.7%，箍筋豎向間距提高至150。

（2）錯層樓板不連續處：按實際樓層錯層高度建立模型，按通高剪力墻考慮，按中震及大震控制剪力墻的剪壓比，錯層處墻柱抗震等級提高到一級，墻體分布鋼筋的最小配筋率取為0.5%。錯層處樓板厚120mm 并采用雙層雙向通長配筋。

（3）對核心筒與周邊結構連接薄弱，加強樓板厚度至150mm，采用雙層雙向通長配筋，配筋率不小于0.25%。

13 結論

綜上所述，建筑結構雖存在高度超限、扭轉不規則、凹凸不規則、樓板不連續的超限情況，但設計中充分利用概念設計方法，對關鍵構件設定抗震性能化目標，并在抗震設計中，采用多種程序對結構進行彈性、彈塑性計算分析，除保證結構在小震下完全處于彈性階段外，補充關鍵構件在中震和大震下的驗算。計算結果表明，建筑物除能滿足豎向荷載和風荷載作用下的有關指標外，亦滿足“小震不壞，中震下主要構件不屈服、震后可以修復，大震不倒塌”的抗震性能目標C 的要求，結構是可行且安全的。