超限高層建筑結構設計分析

陳震

（廣東博意建筑設計院有限公司，廣東佛山 528000）

1 工程概況

海南某項目位于海口市海甸島。該項目為超高層辦公樓，地面以上29 層，建筑高度96.9 m；地下室2 層，深度為9.9 m。地上建筑面積46 118.29 m2，地下總建筑面積109 795.49 m2。

項目勘察結果表明，場地內不存在滑坡、危巖、崩塌、采空區、地面沉降及影響場地穩定性的活動斷裂等不良地質作用。①層為雜填土，局部存在建筑碎塊；⑦1 層為粉質黏土中，夾有一些半成巖的硬塊，未發現其他對工程不利的埋藏物；③層、④1 層為砂土，嚴重液化，在消除飽和砂土液化及軟土震陷影響后，適宜進行本工程建設。場地存在填土、淤泥質粉質黏土等軟弱土層。

根據最新建筑條件，本工程建筑±0.000 m 標高相當于絕對標高為4.3 m（85 國家高程）。地下室底板面標高為-9.90 m（相當于絕對標高-5.60 m）。

2 結構體系及設計條件

2.1 結構體系

綜合建筑抗震等性能和造價等因素考慮，以框架-剪力墻結構作為背景塔樓項目的結構體系，并以剪力墻和框架組合成多道防線，為結構提供抗側剛度及承載能力。核心筒剪力墻厚度由550 mm—450 mm—400 mm 過渡，部分剪力墻內設置型鋼。豎向構件混凝土強度等級為C40～C60，標準層結構布置見圖1。

圖1 標準層結構布置

2.2 設計條件

背景項目以8 度設計抗震設防烈度，丙類抗震設防類別，Ⅱ類場地，B 類地面粗糙度，有0.30g 設計基本地震加速度值、0.4 s 特征周期、0.75 kN/m2的50 年重現期基本風壓、1.4 風荷載體型系數[1-3]。

2.3 超限情況

本項目建筑高度為96.9 m，屬于超A 級但未超B 級高度框架-剪力墻結構；在考慮偶然偏心的扭轉位移比大于1.2，存在1 項一般不規則項[4-5]。

3 結構分析計算

彈性分析選用盈建科軟件（盈建科2.0.3）和ETABS 軟件（ETABS 2016 C16.2.1）進行計算，取地下室頂板為嵌固端。綜合扭轉耦聯、雙向地震作用、偶然偏心等影響。計算主要輸入參數：周期折減系數取0.95，阻尼比0.05，梁剛度放大系數按GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》（2015 年版）第5.2.4條取值。整體計算對比結果見表1。

表1 兩種軟件整體計算結果對比表

以YJK 與ETABS 軟件分析結果為基礎，結合規范要求和結構抗震設計理念可見：兩種軟件所得計算結果相近，表明所建模型和理論計算結果有一定可靠性，所建模型可作為設計依據。各項宏觀計算指標（如周期、結構總質量、基底剪力、傾覆力矩等）均能基本滿足規范要求，且相應指標參數差異滿足《海南省超限高層建筑結構抗震設計要點（試行）》（瓊建質〔2019〕3 號）的要求。

3.1 多遇地震下彈性動力時程分析

除以振型分解反應譜法為基礎所開展的抗震計算外，本項目還以時程分析法作為補充驗算。

3.1.1 地震時程選擇

基于結構第一、第二周期主要振型周期點，以與規范譜差異小于±20%的范圍選取時程波地震影響系數。

考慮大小震作用下塔樓第一自振周期約2.52 s，因此，時程波有效持續時間應控制在5 倍自振周期以上，計算時以12.5 s 作為時程波持續時間，以波形首次出現0.1 倍峰值為起始點，以最后出現0.1 倍峰值為終止點。

所得時程曲線計算結果應滿足平均底部剪力大于80%振型分解反應譜法結果，且各地震波底部剪力應大于65%反應譜法結果。

綜合底部剪力、時程波持續時間和有效峰值等因素考慮，以2 組人工合成波和5 組天然波作為研究對象開展分析。

3.1.2 彈性時程分析結果

彈性時程分析的基底剪力及位移見表2 及表3。

表2 小震時程與反應譜基底剪力的對比

表3 小震時程與反應譜層間位移角最大值的對比

從表2 可見：7 組地震波平均底部剪力大于80%反應譜法底部剪力，且各地震波底部剪力均大于65%反應譜法底部剪力，即所選取的地震波符合要求。

從表3 可見：7 組地震波計算的層間位移角及樓層位移平均值均滿足《海南省超限高層建筑結構抗震設計要點（試行）》限值1/727，且均為彎剪型位移曲線，不存在較大突變，有較為均勻的結構側向剛度。

3.2 中震構件承載力分析

為保證結構的重要構件安全可靠，本工程采用YJK 程序進行了中震構件承載力分析。計算參數見表4。

表4 中震等效彈性計算方法參數取值

基于本工程的重要性及結構超高超限情況，整體結構設計按表5 中抗震設防性能目標進行。

表5 中震等效彈性計算方法參數取值

經計算，底部加強部位的剪力墻暗柱配筋均由中震控制，結構平面中間部位外側剪力墻端柱需設置型鋼滿足中震抗彎不屈要求，結構平面四角位置處的墻肢在3～20 層需設置型鋼才能滿足抗剪截面的要求。

4 結語

本項目在綜合抗震原則及建筑特點的基礎上，仔細考慮了整體結構的布置情況及受力體系，使其整體結構性能盡可能保持良好。以性能化設計方法進行抗震設計，除確保小震作用下結構保持彈性階段外，還通過多種計算方式計算結構的彈性和彈塑性，從所得結果可見，結構有較良好的性能指標表現，符合規范要求。