淺談廈門某超限高層建筑結構設計

賀 輝

富利建設集團有限公司（361000）

1 工程概況

聚群廣場位于廈門市思明區觀音山片區，臺南路北側，半屏山路西側，其中2#樓為超高層辦公樓，地下3層，地上35層，大屋面高度165.45m，建筑面積5.5萬m2。該項目結構體系采用現澆鋼筋混凝土剪力墻結構，樓板為現澆鋼筋混凝土梁板體系。標準樓層結構如圖1所示。

圖1 標準樓層結構結構平面圖

對于該項目，建筑物抗震設防等級為標準設防等級（C類），標稱使用年限為50年，結構安全等級為Ⅱ級。該地區設計抗震組為二組，抗震設防烈度為7度，場地類別為Ⅱ類，基礎設計地震加速度為0.15g，特征周期Tg=0.45s（安全評估報告），50年一遇基本風壓取為0.8kN/m2（承載力計算時風荷載效放大1.1倍）。

2 基礎設計

根據中國地質科學院工程勘察院提供的《聚群廣場·巖土工程勘察報告》，擬建場地及其附近無活動性斷裂、崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂縫、軟土震陷、砂土液化、古河道、地下洞穴、防空洞、臨空面等影響場地穩定性的不良地質現象，地質災害或不利埋藏物。經對場地表部松軟填土場平后形成的臨時邊坡、局部孤石、不均勻風化殘留體或夾層采取相應的處理措施與辦法后，場地和地基得以穩固，更適合擬建建筑的施工。此工程項目場地土層分布自上而下:①雜填土、②粉質黏土、③殘積砂質黏性土、④全風化花崗巖、⑤砂礫狀強風化花崗巖、⑥碎塊狀強風化花崗巖、⑦中風化巖。

工程基礎設計質量為甲級，主體建筑基礎采用人工挖樁，樁身直徑1000～2000mm，樁身的混凝土強度等級為C35，擴大頭的直徑為2200～4100 mm，單樁特征豎向承載力值為8100～22950kN。樁端承載層為碎裂花崗巖，強烈風化。樁端進入持力層≥1000mm，樁長≤15m。樁基布置在剪力墻下，以保證承臺不出現樁的剪切和沖切，減小承臺的厚度和土方的開挖量，節省造價。

3 上部結構設計

3.1 超限情況

根據建設部建制（2006220號《高層建筑超限抗震設防專項檢查要點》），將超限條件歸納為以下幾點:①設防烈度為7度，剪力墻結構，總高度165.45 m＞120m，高度超限，且為超B級高度；②凹凸不規則:l/B=9.0/23.2=0.39＞0.30；③樓板不連續，5.5/9.1=0.60＞0.50；④剛度突變，第2、12、24層剛度均＜上層剛度的70%。

綜上所述，該建筑工程項目為超高層建筑，多項不規則并且為超B級高度，而抗震超限審查時應按有關規定進行[1]。

3.2 抗震性能設計

對于這個工程項目來說，結構方面屬于多項不規則的超B級高度的鋼筋混凝土剪力墻結構，結合抗震設防專項審查意見，并根據《高層建筑混凝土結構技術規程》第3.11.1條抗震性能目標四等級和第3.11.2條抗震性能五水準規定，按C級性能目標進行抗震性能設計，其性能水準分別為1、3、4，控制目標見表1[2]。

表1 震后結構性能狀況

3.3 上部結構計算分析及結構設計

3.3.1 小震及風作用下結構性能分析

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》第4.3.4條、4.3.5條、5.1.12條，設計時運用SATWE（中國建筑科學研究院），計算校核時用MIDAS軟件進行補充[3]。

經計算分析，本建筑剪力墻厚度取為200～550 mm，豎向構件混凝土強度等級為C30～C60，梁板混凝土等級為C30～C40?？紤]到本建筑三個主樓單體間的連接處較為薄弱，工程將采用整體模型和單體模型分別計算，進行包絡設計。同時對三個主樓單體間的連接薄弱處板厚加大到150mm，并進行應力分析，確保結構安全。為了保證每個單塔和中間連接體薄弱部位受力滿足要求，每個單塔周邊和樓電梯間周邊布置剪力墻，單塔剪力墻之間用強連梁連接，樓電梯間剪力墻形成核心筒，保證每個單塔的剛度和連接體薄弱部分的受力。

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》第3.7.3條第3款規定，層間最大位移與層高之比限值取1/880。本建筑舒適度按《高層民用建筑鋼結構技術規程》規定進行計算，結果為:順風向頂點最大加速度，X向為0.022m/s2，Y向為0.079m/s2。橫風向頂點最大加速度:X向0.084m/s2，Y向0.041m/s2。滿足規范要求（加速度≤0.25m/s2）[4]。

建筑結構在多遇地震及風荷載作用下，用SATWE和MIDAS分析，主要結構對比見表2～表4。結果表明，兩者計算的各項指標均滿足規范要求，結構總重量、動力特性、周期及基底剪力基本一致，分析結果準確、可靠。設計中以SATWE計算結果作為主要依據，MIDAS作為校核。

表2 小震作用下整體結構分析主要結果對比

表4 單塔（中）結構分析主要結果對比（小震作用）

3.3.2 多遇地震彈性時程分析

為了在頻繁地震的影響下進行額外的計算，使用了及時分析彈性動力學的方法。根據場地性質，選取了5個天然地震波和2個人工波，地震波的平均地震因子曲線與譜模態分解所用的地震因子曲線在統計上是一致的。建立結構彈性模型，將多條強震記錄地震波輸入模型計算，挑選出頻譜特性與規范反應譜最吻合且滿足《高層民用建筑鋼結構技術規程》第4.3.5條要求的7條地震波，即每條時間曲線計算的結構底部剪力＞模態響應譜法結果的65%。由多條時間曲線計算得到的結構底部剪力平均值超過模態分解響應譜法結果的80%。最后，運用時程分析法進行設計。各地震波與反應譜法對比分析詳如圖2、圖3所示。

圖2 X向樓層剪力

圖3 Y向樓層剪力

3.3.3 中震作用下結構性能分析

中震作用下的結構抗震設計采用中國建筑科學研究院PKPMCAD工程部開發的PKPM系列軟件SATWE進行計算。

3.3.3.1 中震彈性分析

選中程序，按中震彈性作結構設計。對于中震彈性，主要有兩條:地震影響系數的最大值按中震（規范）取；取消內力組合調整（取消強柱弱梁，高剪弱彎調整）。其余主要分析參數見表11.3。

表3 單塔（左或右）結構分析主要結果對比（小震作用）

3.3.3.2 中震不屈服分析

選中程序，根據結構設計的中震彈性。中震彈性基本有5個要點：以地震影響系數的最大值為中震值（規范）；取消強柱弱梁、高剪低彎調整；荷載分項系數取1.0；材料強度標準值；抗震承載力調整系數為1.0。分析的其他主要參數見表5。

表5 結構分析參數

3.3.3.3 中震作用下結構整體性能分析

中震作用下，結構整體性能分析見表6。

表6 中震作用下結構分析結果

3.3.3.4 中震作用下結構構件性能分析

各構件內力需求及配筋分析如下:

下部加固區域的有限剪力墻邊緣構件根據與抗彎能力相關的“中震不屈服”性能要求進行測試。經計算，加固區內大部分橫墻及連接梁的內力分布合理，基本無超筋現象，墻體最大軸壓比為0.35，延性指數很好，滿足設計性能要求。

底部加強區剪力墻抗剪承載力按“中震彈性”性能要求驗算,截面抗剪驗算滿足:Vw＜0.15fcbwhwo，經計算，工程滿足要求。

因中震作用下剪力墻出現拉應力，在建筑周邊框架柱內布置型鋼以承擔拉應力。

綜上所述，結構整體及構件性能基本滿足中震作用下的性能目標。

3.3.4 大震作用下結構性能分析

在罕遇地震中，結構的某些部分會失效。結構的工作狀態由彈性變為彈塑性。隨著塑性的發展，結構的剛度不斷降低，阻尼系數相應增加。該過程的建?？梢允褂媒旗o態彈塑性分析（pushover）來實現。通過這種分析，可以檢驗結構在頻繁地震時的彈性結構假設，并大致確定結構在罕見地震時的破壞過程，并找到薄弱環節，以便設計能夠針對薄弱環節加固，確保整體結構能夠支持基于性能的抗震設計。這種靜態彈塑性分析由MIDAS執行。

3.3.4.1 罕遇地震作用下性能點確定

通過分析模型在X、Y方向的推覆分析，尋找結構在7度（0.15g）罕遇地震影響下的大震性能點。Pushover計算得到力位移關系和罕見地震反應譜分別轉換為功率譜和需求譜，繪制在坐標系中，如圖4和圖5所示。X方向的結構模型罕遇地震下基礎剪力為122700kN，頂點偏移量為309.9mm；Y向結構模型罕遇地震下地基剪力為143900kN，頂點偏移量為364.5mm。

圖4 X方向罕遇地震性能點

圖5 Y方向罕遇地震性能點

3.3.4.2 罕遇地震作用下層間位移角驗算

經過計算分析，罕遇地震下的層間位移X向為1/240，Y向為1/344。

3.3.4.3 抗震性能總體評價

通過以上靜力彈塑性分析，可以得到如下主要結論:

在罕遇地震作用下結構性能點的存在，表明結構設計的合理性。

在罕遇地震作用下，層間位移角未超過抗震規范要求的1/120極限，說明了該結構具有明顯的屈服平臺和足夠的抗震能力。

3.3.5 相應抗震措施

對底部加強區豎向構件采用SATWE進行設防烈度地震作用下整體結構性能設計計算。對于底部加強部位以上軸壓比大于0.3的剪力墻墻肢應設置約束邊緣構件，但不超過房屋總高度的1/3。同時，提高關鍵部位的設計可靠度，如在中震作用下關鍵剪力墻受拉墻體約束邊緣構件內設置型鋼，提高結構延性，實現中震可修的設防目標[5]。

針對扭轉不規則問題，本建筑平面基本規則、均勻、結構布置左右對稱，通過調整抗側力構件的布置，盡量降低質心與剛心間偏心及扭轉效應的不利影響，滿足周期比要求，并嚴格控制最大扭轉位移比小于1.2，加強剪力墻延性，控制剪力墻的最大軸壓比。

針對凸凹不規則和樓板不連續問題，本建筑采用整體模型和單體模型分別計算，包絡設計。對三個主樓單體間的連接薄弱處進行應力分析，小震時按應力不大于混凝土抗拉強度標準值控制，中震時控制配筋。對局部較弱連接板塊采取加大樓板厚度、雙層雙向配筋，且按每層每個方向配筋率不小于0.25%配筋，增強樓板的抗剪能力。

針對薄弱層問題，對其上一層采取減小剪力墻截面、降低混凝土等級等措施降低側向剛度差。將薄弱層的地震剪力放大到1.25倍，對薄弱層進行彈塑性變形分析，以保證薄弱層的安全性。

4 結語

該項目是一不規則形狀的超B級超高層建筑。通過合理的結構規劃、詳細的計算和分析，對薄弱部位采取適當的加固措施，并進行分析論證，確保主體結構具有所需的抗震性能。