探討某超限高層建筑結構抗震性能設計

程勇

（貴陽市建筑設計院有限公司，貴州 貴陽 550004）

0 引言

在城市化建設持續(xù)推進的背景下，各地高層建筑數(shù)量大幅增加，建筑豎向體型、平面布置的復雜程度也有所提高。對體型較為復雜的建筑而言，其所面臨主要問題便是由于平面不規(guī)側、構件不對稱、質量分布不均，致使結構受力情況無據(jù)可循。要想保證建筑結構穩(wěn)固安全，關鍵是要在前期設計階段，對結構破壞形態(tài)以及薄弱環(huán)節(jié)進行分析，明確地震給建筑結構所造成影響，為結構可靠性提供保證。

1 項目概況

一般來說，層數(shù)達到10 層或以上的建筑屬于高層建筑，7 度抗震設防地區(qū)剪力墻結構高度達到或超過120m 的高層建筑稱為超A 級高度建筑，需要進行超限高層抗震專項審查。無論是對比普通多層建筑還是高層建筑，超限高層對技術質量所提出要求均更為嚴格，要想使建筑結構安全性更有保障，關鍵是要對其進行抗震性能化設計。

某地擬建設一棟高層建筑，該建筑共有44 層，建筑高度為148.7m，1F 為商鋪，層高為6.6m，2F 和3F 的層高均為5m，4F 層高為6.6m，5F~44F 多為標準層高，即3m，其中，在13F 及28F 布設避難層，這兩層的高度為5m。塔樓的定位是住宅。-1F~-5F 的高度依次遞減，分別是5.5m、4.5m、4.5m、3.8m 和3m。其中，嵌固端取自-2F 頂板，其厚度為180mm，地下室頂板厚度為160mm。該建筑的總面積約為25700m2。

2 建筑結構布置

2.1 確定嵌固端

該建筑地下部分共包括5 層，因負1F 層局部無側限，且無側限所占面積比超30%，所以計劃將-2F 樓板作為嵌固端，對地下室樓層采用等效剪切剛度進行計算可知，建筑-2F 與首層剛度比均大于2，滿足規(guī)范要求。另外，在對嵌固層板進行設計時，需要考慮以下因素：首先是避免在-2F 樓板表面開設大洞口，樓板結構為鋼筋混凝土梁、板結構，厚度不小于180mm 為宜，同時搭配雙向、雙層配筋，配筋率不小于0.25%，同時對地下室頂板（-1F 頂板）設計時也應注意，板厚不小于160mm，其次是確保框架柱嵌固層單側縱向鋼筋與上層鋼筋面積之比達到1.1 倍以上，且地下室頂板梁、柱節(jié)點左右梁端截面與下柱上端同一方向實配的受彎承載力之和不小于地上一層對應柱下端實配的受彎承載力的1.3 倍，對于剪力墻邊緣構件不小于嵌固層以上邊緣構件面積[2]，只有滿足上述措施條件，保證塑性鉸出現(xiàn)在嵌固層，才能作為嵌固端使用。

2.2 結構形式的布置

該建筑主體結構是剪力墻結構體系，結構標準層的平面圖如圖1 所示。

圖1 建筑結構標準層

本項目所在地區(qū)的地震加速度取值是0.1g，Ⅱ類場地，地震分組一組，對應特征周期是0.35s。現(xiàn)場-4F樓面以下有飽和粘土，地震抗震設防烈度為7 度，可忽略軟土震塌、砂土液化所產(chǎn)生影響。通過分析可知，該建筑塔樓的基底持力層采用中風化白云巖，地下室、裙樓有個別基巖已外露，因此對于持力層較淺的采用柱下擴展基礎，對于持力層埋置較深的采用樁基，持力層均采用中風化白云巖，無沉降差問題，根據(jù)地勘報告可知，地下室抗浮水位位于-4 層樓面，抗浮水頭為6.8m，根據(jù)計算整體抗浮滿足1.05 安全系數(shù)要求，局部抗浮采用配重加結構硬抗的方式相結合，上部結構由于高寬比達到7.4，略超規(guī)范規(guī)定6 的要求，因此在布置剪力墻時Y 方向占比較大。

3 結構抗震性能

作為對建筑結構進行設計的關鍵一環(huán)，對抗震性能進行設計時，設計人員應做到以抗震目標為依據(jù)，對切實可行的設計方案進行制定，強調兩階段、三水準的設計模式提出性能目標，抗震性能目標為[1]：當遭受低于本地區(qū)抗震設防烈度的多遇地震時，主體不受到破壞或不需修理可繼續(xù)使用，當遭受本地區(qū)抗震設防烈度設防地震影響時，可能發(fā)生損壞，但一般性修理仍可繼續(xù)使用，當遭受高于本地區(qū)設防烈度罕遇地震影響時，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴重破壞。

3.1 設計性能目標

該項目的主要使用功能為住宅，根據(jù)超限審查技術要點，本項目主要是平面不規(guī)則，無轉換層，豎向構件連續(xù)，主要超限類型為超高，根據(jù)抗震設防類別、設防烈度、場地條件、震后損失和修復難易程度綜合考慮后確定該項目抗震性能目標為C 級，即性能水準為1、3、4，就是多遇地震作用下性能水準為1，宏觀損壞程度完好，無損壞，所有構件滿足彈性要求，承載力和變形滿足1/1000 要求；設防烈度作用下性能水準為3，宏觀損壞程度為輕度損壞，普通構件和關鍵構件的正截面承載力滿足屈服承載力要求，受剪滿足彈性要求，部份耗能構件進入屈服階段，變形滿足1/500 位移限制要求；罕遇地震作用下性能水準為4，宏觀損壞程度為中度損壞，關鍵構件的抗震承載力滿足曲服承載力要求，位移角滿足1/120，抗震性能計算時除小震材料采用設計值外，中震和大震均應采用材料強度標準值，且不考慮與抗震等級有關的調整系數(shù)。

3.2 計算方法

根據(jù)高規(guī)3.3.1 條的條文說明該項目屬于超A 級高度，即B 級高度，保證設計質量按規(guī)定應進行抗震設防專項審查復核，小震、中震采用兩種不同力學模型軟件進行分析，該項目分別采用MIDAS BUILDING 和YJK 進行計算，計算分析出質量、周期、位移比、剪重比等均較為接近，因此可以認為原來計算模型假定和計算結果基本可信，同時選用動力特性相近的3 條地震波（其中一條人工波，二條天然波）進行分析，分析結果表明，CQC 法和時程分析法相接近，只是在頂部由于鞭稍效應引起時程分析較CQC 法大1.1 倍，在施工圖時CQC 計算法頂部放大1.1 倍。

同時，根據(jù)高規(guī)規(guī)定，該項目需進行彈塑性計算分析，高度不超過150m 時可以采用靜力彈塑性，超過150m 根據(jù)自振特性和不規(guī)則程度選用靜力或動力彈塑性，由于該項目接近150m，從安全角度出發(fā)，選用了動力彈塑性分析，分析軟件選用了北京構力科技的SAUSAGE 軟件，地震波采用了兩條天然波和一條人工波。

3.3 計算結果

3.3.1 小震計算

使用不同軟件對小震作用下采用彈性模型進行計算，最終結果大致相同。各模型前三階的振動方向、周期值基本一致，平動周期和扭轉周期比未超過規(guī)定限值，這表示結構在抗扭剛度方面表現(xiàn)較為理想，但剪重比底部局部樓層不滿足要求，可以通過全樓地震剪力進行1.1 倍放大，結構在地震作用下所出現(xiàn)位移角最大值是1/890，該位移角在33F 的Y 方向，滿足規(guī)范1/800要求，在風荷載作用下，結構所出現(xiàn)位移角的最大值是1/1200，該位移角在32F 的Y 方向，均滿足規(guī)范要求。但結構的剛重比為2.0 小于規(guī)范2.7，剛重比不滿足要求，出現(xiàn)P-Δ 效應，應將重新計算考慮P-Δ 效應，計算后為1.7，滿足規(guī)范2.0 要求。

3.3.2 中震計算

在中震作用下，關鍵構件和普通豎向構件需滿足屈服承載力要求，抗剪需滿足彈性要求，可將地震加速度的最大值取為100cm/s2，正截面受彎材料抗力取為標準值，抗剪材料取為設計值，不考慮風荷載，不考慮與抗震等級相關的調整系數(shù)，經(jīng)復核驗算，豎向構件均滿足承載力要求，梁和連梁局部正截面進入屈服階段。

3.3.3 大震計算

為考察結構進入彈塑性狀態(tài)下的動力反應，分析結構在罕遇地震作用下的抗震性能，檢驗結構在罕遇地震作用下的薄弱層，控制層間彈塑性位移是否滿足1/120，對罕遇地震作下結構的抗倒塌能力進行判斷，了解結構塑性較的形成規(guī)律，針對性地優(yōu)化結構布置。

本項目采用SAUSAGE 軟件進行彈塑性計算，SAUSAG 是一款非線性計算軟件，他的計算結果與ABAQUS 接近，并且可以實現(xiàn)GPU 顯卡的并行計算，可以提高計算效率，梁、板、支撐桿系采用粗細纖維束單元，剪力墻采用分層殼單元，本項目選用三條CQC 動力特性相近的地震波計算，地震加速度的最大值取為220cm/s2，特征周期Tg=0.4s，水平地震影響系數(shù)amax=0.5，經(jīng)計算分析如下。

（1）在考慮重力二階效應及大變形的條件下，罕遇地震作用下結構最終仍能保持直立，滿足大震不倒要求。

（2）主體結構最大彈塑性層間位移角為1/130，滿足規(guī)范1/120 要求。

（3）結構的彈塑性層間位移角分布曲線總體較為光滑，在避難層有一定縮進，經(jīng)分析是為了限制位移加大了梁的剛度，如圖2 所示。

圖2 Y 方向罕遇地震下層間位移曲線

（4）由動力彈塑性時程分析得出Y 方向罕遇地震下的層間剪力分布曲線和基底剪力，整體較為光滑，如圖3 所示。

圖3 Y 方向罕遇地震下結構層間剪力

（5）由于強震損傷積累，結構剛度減小，其地震響應減小，因而彈塑性結構位移反應小于彈性結果，彈塑性結構各層剪力反應不小彈性結果，結構存在一定的位移反應滯后現(xiàn)象。

（6）局部樓面梁出現(xiàn)塑性鉸主要集中在與較長的剪力墻相連位置，可以看出梁起著耗能作用。

3.4 舒適度計算

根據(jù)高規(guī)3.7.6 條，房屋高度不小于150m 的高層混凝土建筑應滿足風振舒適度要求，本項目雖然未超過150m，但接近150m，為安全起見也做了舒適度分析，按10 年一遇的風荷載0.3kN/m2標準值取值，經(jīng)計算分析，X 方向的順風向加速度為0.06m/s2，橫風向加速度0.08m/s2，Y 方向的順風向加速度0.07m/s2，橫風向加速度0.09m/s2，均滿足規(guī)范規(guī)定0.15m/s2。

4 結語

綜上所述，在小震情況下，各構件均處于彈性狀態(tài)，其變形能力、承載能力滿足規(guī)范要求。反應譜和時程分析基本一致，該建筑在抗震性能方面的表現(xiàn)可滿足預設目標。其次，中震情況下，剪力墻未出現(xiàn)屈服情況，連梁、框架梁部分屈服，但可滿足受剪不屈服要求。最后，大震情況下，結構層間所產(chǎn)生位移角、彈性位移未超出規(guī)范允許范圍，抗側力構件均沒有受到嚴重損壞，由此可見，本結構抗震性能良好，滿足了大震不倒的要求，經(jīng)調整后各項指標均滿足規(guī)范要求，主要結構在罕遇地震作用下也基本滿足預設定的性能目標。