超限高層結構抗震性能設計研究

李武林（廣東呈斯意特建筑設計有限公司，廣東 惠州 516000）

隨著時代的發展，人們對建筑物的需求日益多樣化，建筑結構體系也愈趨復雜，由此產生了超限高層建筑——超出國家現行規范、規程中規定的適用類型的高層建筑，主要包括高度超限、規則性超限、結構類型超限、超限大跨空間結構4種情況[1]。超限高層建筑受力情況復雜，不僅要考慮結構受力一般情況，還要關注水平荷載比重增加、風荷載和地震作用影響、舒適度驗算、溫度作用和風荷載下的內力與結構抗傾覆能力等因素，而要實現超限高層結構設計的合理性、安全性和經濟性目標要求，關鍵在于結構的地震反應分析[2]。因此，本文對超限高層結構抗震性能設計進行了探討。

1 超限高層結構抗震設計方法

1.1 超限高層結構的判別

高層建筑結構超限的判別主要依據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）(2016年版)、《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）等相關規范的規定。高度超限是指建筑物的高度超過了規范規定的最大適用高度，例如，某33層塔樓建筑[3]高149.7m，采用鋼筋混凝土框架-核心筒結構體系，丙類標準設防，地震設防烈度為7度。按照JGJ3-2010第3.3.1條的限高規定，該建筑高度未超過B級框筒高度的180m，但超過了A級框筒高度的130m，屬于高度超限建筑。規則性超限是指建筑結構屬于相關規范、文件規定的特別不規則建筑，不論建筑高度是否超限，均可判定為規則性超限，例如，某高層建筑項目[4]由兩棟塔樓組成，采用剪力墻結構體系，除了高度超B級高度以外，還有塔樓扭轉不規則、凹凸不規則、剛度突變、抗剪承載力突變、大底盤裙房樓板超長等不規則性，屬于高度超限兼規則性超限的建筑。結構類型超限為相關規范、規程中尚未列入的結構形式或特殊結構，例如，上部鋼結構而下部為混凝土結構組合的高層結構、沒有外框柱的筒體結構、沒有內部核心筒的框筒結構、巨型框架結構等。超限大跨空間結構是指高度超過24m，屋蓋跨度＞120m，或懸挑長度＞40m，或單向長度＞300m，或屋蓋結構形式超出《空間網絡結構技術規程》（JGJ7-2010）規定的常用空間結構形式。

1.2 建筑結構抗震設計分析方法

建筑結構抗震設計最早采用“靜力法”，按建筑物質量的0.1倍估計地震水平力。這種抗震設計方法極為粗糙，誤差較大。隨后提出了反應譜理論，利用反應譜計算結構動力特性，在很長時間里用于結構的抗震設計，然而這種方法仍有不足，因為在設計時將結構假定為線彈性體，將慣性力等視為靜力進行計算，不能有效展示地震作用的時間效應、構件變形狀態和損傷進展，結構進入彈塑性狀態計算誤差較大。針對反應譜法的不足，近來提出了基于性能的抗震設計，即在預定設計年限內，針對不同強度的地震作用，提出不同的預期性能目標，其與常規抗震設計在設防目標、實施方法和工程應用等多方面均有差別。常規抗震設防目標可概括為“小震不壞，中震可修，大震不倒”（三水準設防目標），但該目標仍然較為籠統，難以準確評估不同地震水準下的結構性能，而基于性能的抗震設計可以由業主對具體工程按使用類別及地震產生的影響程度，提出多個具體性能指標。常規抗震設計按照相關規范、指令的規定進行設計實施，通過彈性設計、內力調整、變形驗算等步驟達到預期設防目標，一般通過兩階段實現，第一階段針對多遇地震采用彈性結構模型進行設計；第二階段針對罕遇地震采用彈塑性結構模型進行設計，而基于性能的抗震設計還需要通過預期的性能論證、必要的試驗及專門的評估才能確認實施。在工程應用階段，常規抗震設計執行相關規范、規程、文件的限制性規定，不利于新材料、新技術、新結構體系的發展應用，而基于性能的抗震設計有利于超限結構、復雜結構的應用。

1.3 基于性能的結構抗震設計方法

基于性能的抗震設計實質是根據建筑用途和重要性程度確定預期性能目標，再由不同性能目標制定相應的抗震設防標準，可針對不同風險水平的地震作用達到各種性能目標要求，一般通過以下三個步驟實現：一是根據建筑的用途、功能和業主的使用要求，通過投資與效益的分析，確定建筑結構的性能目標，GB50011-2010(2016年版)附錄M給出了實現抗震性能目標的參考方法；二是根據確定的性能目標，選擇適用的結構體系、材料和設計方法（不限于規范、規程規定的結構體系、材料和設計方法）進行設計；三是對所設計的建筑結構性能進行評估，達到性能目標要求即通知業主，達不到性能目標則需調整性能目標（返回第一步）或重新進行結構設計（返回第二步）。

目前，基于性能的抗震設計已形成基于承載力、能量、損傷、位移等多種設計方法。基于承載力的設計方法在目前應用最廣泛，該方法也是現行規范采用的方法，多遇地震采用彈性計算法，超限結構和罕遇地震作用下需補充彈塑性分析方法。這種方法概念清晰，計算簡便，分析一般構件比較準確，但因其非彈性計算采用簡化處理方式，結果不夠精確。基于能量的設計方法將地震輸入結構能量分為結構振動消耗、結構構件變形消耗和結構構件開裂消耗三部分，如果結構耗散全部地震能量后沒有倒塌，則設計滿足要求，否則就要重新設計了。能量法設計的優點是結果比較準確，但建模比較困難。基于損傷的設計方法通過損傷指數量化損傷性能目標，并根據結構非彈性變形引起結構損傷的觀點，如果結構塑性耗能與阻尼耗能之和不足以抵消地震輸入結構的能量，則結構就會遭到損傷破壞乃至倒塌，反之結構安全。基于位移設計方法把位移控制作為結構性能目標，通過控制層間位移進行抗震設計。根據位移利用的方式，位移法分為直接位移設計法、按延性系數的設計方法、能力譜法。直接位移設計法直接將位移目標和破損程度作為設計目標。按延性系數的設計方法將延性系數作為抗震設計控制指標。能力譜法以能力譜曲線與需求譜曲線的交點作為最大反應點，能力譜曲線與等價線彈性體力-位移曲線的交點作為設計性能點，如果設計性能點位移譜值大于最大反應點，那么結構性能滿足抗震要求，否則結構不安全。

2 超限高層結構抗震性能化設計應用

2.1 案例背景

高層住宅樓總建筑面積約25600m2，±0.000以上33層，±0.000以下3層，±0.000以上高度99.5m，室外地面以上高度104.3m。建筑高寬比為4.29，長寬比為1.37，體型系數為1.4。標準層面積809.2m2，層高3.0m～3.5m。設計使用年限為50年，Ⅱ類場地，抗震設防烈度為7度，基本地震加速度為0.10g，地震分組為第一組，特征周期取0.35s。風荷載取0.50kN/m2，地面粗糙度為B類。基礎采用鉆孔灌注樁，樁長5m～12m。結構體系采用全落地剪力墻結構，樓蓋采用現澆鋼混梁板體系，結構嵌固端為室外地面以下一層。剪力墻厚度200 mm～300mm，混凝土強度等級為C30～C45，梁板混凝土強度等級為C25～C35，鋼筋采用HRB400和CRB550。剪力墻、框架柱、框架梁的抗震等級為二級。設計軟件采用PKPM系列的SATWE和EPDA以及CSI公司的ETABS。

2.2 超限的判別

根據《高層建筑混凝土技術規程》（JGJ3-2010）第3.3.1條，建筑高度未超過A級高度的120m，高度未超限，但存在Ⅰ類扭轉不規則、凹凸不規則、組合平面、樓板不連續、尺寸突變等多項規則性超限，故判別該建筑屬于超限高層結構。

2.3 抗震性能設防目標

根據工程特點、超限情況以及業主對結構的要求，確定重要構件抗震性能設防目標見表1。

表1 重要構件抗震性能目標

2.4 小震作用的計算

采用彈性法計算，考慮偶然偏心，扭轉偶聯，計算振型數取30，荷載折減系數取0.5，周期折減系數取0.9，結構阻尼系數取0.05等。SATWE計算前10振型自振頻率為f1=0.3311s-1，f2=0.3477s-1，f3=0.4149s-1，f4=1.1329s-1，f5=1.2780s-1，f6=1.4249s-1，f7=2.1848s-1，f8=2.6795s-1，f9=2.8417s-1，f10=3.3167s-1。ETABS計算前10振型自振頻率為f1=0.3258s-1，f2=0.3467s-1，f3=0.4041s-1，f4=1.1140s-1，f5=1.3203s-1，f6=1.4166s-1，f7=2.1601s-1，f8=2.7674s-1，f9=2.9154s-1，f10=3.3024s-1。可見，兩個軟件前10振型自振頻率還是比較接近的。SATWE和ETABS計算第一扭轉周期Tt與第一平動周期T1的比值分別為0.7980、0.8060。根據JGJ3-2010第3.4.5條，A級高層建筑Tt/T1不應大于0.9，因此結構抗扭能力滿足規范要求。SATWE計算的X向與Y向有效質量系數分別為99.50%和99.58%，ETABS計算的相應數值均為94%，兩種軟件計算的有效質量系數均大于90%，可見所取振型數足夠。SATWE計算的X向（11層）與Y向（17層）基本風壓下最大層間位移角分別為1/1709和1/1294，ETABS計算的相應數值分別為1/1805和1/1377；SATWE計算的X向（14層）與Y向（20層）安評反應譜地震荷載下最大層間位移角分別為1/1493和1/1550，ETABS計算的相應數值分別為1/1411和1/1486，滿足JGJ3-2010第3.7.3條風荷載和地震作用下層間位移角不大于1/1000的要求。SATWE計算的X向與Y向剪重比分別為1.48%和1.60%，ETABS計算的相應數值均為1.41%，滿足GB50011-2010(2016年版)第5.2.5條0.016的要求。SATWE計算的X向（地下1層）與Y向（首層）偶然偏心地震作用下最大扭轉位移比分別為1.26和1.19，ETABS計算的相應數值分別為1.319和1.203，雖然大于JGJ3-2010第3.4.5條規定的1.2倍，但未超過1.5倍。其他參數，如側向剛度比值、抗側力結構的受剪承載、結構剛重比、剪力墻最大軸壓比等均滿足相關規范要求，彈性時程分析結果也滿足相關規范要求。

2.5 中震作用的驗算

采用彈性法驗算，取地震作用影響系數0.23，梁端負彎矩調整系數0.7，連梁剛度折減系數0.5。PKPM計算的0度（15層）和90度（21層）方向最大層間位移分別為1/563和1/539；ETABS計算的0度（15層）和90度（20層）方向最大層間位移分別為1/491和1/517。PKPM計算的0度和90度方向剪重比分別為4.25%和4.60%，ETABS計算的相應數值分別為3.90%和4.00%。樓板內力分析結果顯示，在雙向地震作用下板配筋率0.33%可滿足中震作用下的拉力要求。

2.6 大震作用的分析

大震作用采用彈塑性法進行分析，判斷罕遇地震作用下結構是否倒塌，通過對建筑進行Pushover分析，校核小震下的彈性設計結果，確定大震作用下的破壞機制，發現結構中的薄弱環節。加載時，先施加重力荷載，再逐步施加水平荷載。根據分析結果，在X、Y兩個方向性能點處的最大層間彈塑性位移角滿足JGJ3-2010第3.7.5條剪力墻結構層間彈塑性位移角限值1/120的要求。

2.7 超限的處理

根據性能化抗震設計分析結果，為滿足超限結構的抗震性能要求，應采取以下措施：控制剪力墻墻肢軸壓比不大于0.6；剪力墻墻身水平和豎向分布筋加強部位配筋率不小于0.4%，構件邊緣約束部位豎筋配筋率不小于1.2%；薄弱部位樓板應適當加厚，并采取雙層雙向配筋措施，最小單層配筋率應達到0.25%；錯層處剪力墻分布筋最小配筋率應達到0.4%，連梁箍筋最小配筋率應達到0.5%，腰筋最小配筋率應達到0.4%。

3 結語

超限高層建筑為結構設計提供了多樣化選擇，但也因為超出規范要求，超限結構設計充滿了挑戰，要做出科學合理的設計，就應掌握超限結構設計方法，尤其是對基于性能的抗震設計方法熟稔于心，這樣才有利于充分貫徹“小震不壞，中震可修，大震不倒”的設防目標要求。