試論超限高層建筑結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計

奧意建筑工程設(shè)計有限公司 廣東深圳 518000

摘要：21世紀，隨著高層建筑的不斷涌現(xiàn)，限高層建筑也以極快的速度增加著，同時被應(yīng)用的越來越加廣泛，其安全與否對于人們的生命財產(chǎn)安全有著重要的影響，因此，必須加強對超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重視。本文通過對某超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計工程實例的介紹，討論了結(jié)構(gòu)選型與布置，經(jīng)過采用兩個不同力學(xué)模型軟件分析計算和非線性分析和地震評價結(jié)果表明，工程的各項總體計算指標比較理想，針對超限所采取的抗震措施合理有效，總體設(shè)計滿足規(guī)范要求。分析結(jié)果可供類似結(jié)構(gòu)參考。

關(guān)鍵詞：超限高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；不規(guī)則結(jié)構(gòu)；抗震性能設(shè)計

1、工程概況

某超高層住宅建筑，地面以上48 層，地下三層，主體結(jié)構(gòu)建筑高度 162m。設(shè)計使用年限50年，結(jié)構(gòu)安全等級二級，抗震設(shè)防類別為丙類，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級；根 據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）及工程地質(zhì)勘察報告，本場區(qū)抗震設(shè)防烈度為 7 度，設(shè)計基本地震加速度為 0.15g，設(shè)計地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類，特征周期值為 0.40s，屬建筑抗震一般地段。風(fēng)荷載計算時，整體位移驗算采用 50 年重現(xiàn)期的風(fēng)壓值 0.45kN/m2，承載力計算采用 100 年重現(xiàn)期的風(fēng)壓值 0.50kN/m2。

2、結(jié)構(gòu)體系及結(jié)構(gòu)超限類型的確定

本工程地面以上為住宅建筑，結(jié)構(gòu)高度及高寬比均較大，采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)布置時，充分利用墻肢翼墻的翼緣效應(yīng)，通過加大翼墻厚度提供較大的抗側(cè)剛度；由于建筑功能限制，建筑平面X方向可布置建筑剪力墻的數(shù)量較Y方向少，設(shè)計上通過增加X方向邊框框架柱及加寬框架梁，加強X向結(jié)構(gòu)剛度以滿足要求。剪力墻全部落地?zé)o轉(zhuǎn)換。標準層結(jié)構(gòu)布置詳見圖 1。

圖1 標準層結(jié)構(gòu)平面布置圖

本工程超限類型有三點，分別如下：

1）《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010表1全部落地剪力墻結(jié)構(gòu) A 級高度限值120m，B級高度限值150m，本工程高度162m，超過B級高度12m。

2）Y方向扭轉(zhuǎn)位移比超過1.2，按照《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》2010 年版附錄一：表2，屬于1a 類扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。

3）平面凹凸尺寸大于其相應(yīng)邊長30%，屬于平面不規(guī)則。

3、結(jié)構(gòu)分析及計算結(jié)果

3.1 地震作用

根據(jù)本工程《場地地震安全性評價工作報告》，本場地設(shè)計反應(yīng)譜參數(shù)與規(guī)范反應(yīng)譜參數(shù)對比如表 1 所示。

表1 規(guī)范反應(yīng)譜和安評反應(yīng)參數(shù)對比表

超越概率規(guī)范反應(yīng)譜安評報告反應(yīng)譜參數(shù)

amaxT1/S amaxT1/S

50年63%（小震）0.120.400.90.1540.301

50年10%（中震）0.340.400.90.4410.401.22

50年2%（大震）0.720.450.90.6510.451.34

選取 1#樓分別按規(guī)范和安評反應(yīng)譜計算其樓層剪力和層間位移角，計算結(jié)果表明，小震下安評反應(yīng)譜作用下的樓層剪力除頂部幾層略大于規(guī)范反應(yīng)譜作用外其余均小于規(guī)范反應(yīng)譜作用，小震下安評反應(yīng)譜作用下的層間位移角均小于規(guī)范反應(yīng)譜，因此在小震設(shè)計中應(yīng)采用規(guī)范反應(yīng)譜作為設(shè)計依據(jù)。

3.2 結(jié)構(gòu)抗震性能目標

針對本工程高度超限的特點，結(jié)構(gòu)計算分析時除需考慮常規(guī)的豎向荷載、小震作用及風(fēng)荷載作用外，還采用基于性能的抗震設(shè)計方法，對結(jié)構(gòu)進行了抗震性能設(shè)計。結(jié)構(gòu)抗震性能目標按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010第3.11 節(jié)內(nèi)容執(zhí)行。根據(jù)本工程地處7度（0.15g）區(qū)，且房屋高度為超 B 級高度（超過B 級高度約 12m）的特點，結(jié)合超限抗震設(shè)防專項審查意見，設(shè)定塔樓結(jié)構(gòu)抗震性能目標如表2 所示。

表2 性能目標

多遇地震（小震）設(shè)防烈度地震（中震）預(yù)估的罕遇地震

（大震）

關(guān)鍵構(gòu)件底部加強部位剪力墻無損壞

（彈性） 滿足抗剪截面條件

普通豎向構(gòu)件剪力墻（非底部加強部位），框架柱無損壞

（彈性）滿足抗剪截面條件滿足抗剪截面條件

耗能構(gòu)件連續(xù)框架梁無損壞

（彈性）滿足抗剪截面條件滿足抗剪截面條件

計算分析手段SATWE，MidasbuildingSATWESATWE，Abaqus

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010 第3.11.3 條，中震、大震作用下構(gòu)件彈性或不屈服的承載力復(fù)核及受剪最小截面表達式如下：

彈性設(shè)計表達式：rGSGE+ rES*GE≤R/rRE 高規(guī) JGJ 3-2010（3。11。3-1）；

不屈服設(shè)計表達式：SGE+S*GE≤RK 高規(guī) JGJ 3-2010（3.11.3-2）；

受剪最小截面要求表達式：VGE+V*EK≤0。15fCKbh0 高規(guī) JGJ 3-2010（3.11.3-4）。

對應(yīng)不同抗震水準下結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力的要求，確定各構(gòu)件各種不同損害程度對應(yīng)的承載力要求如表2 括號中描述。

3.3 塔樓彈性計算分析

3.3.1本工程的整體計算

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010 第 5.1.12 條：B 級高度高層建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用至少兩個不同力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)分析軟件進行整體計算，本工程彈性分析選用中國建筑科學(xué)研究院編制的 SATWE 軟件（簡化墻元模型，2010 版）和韓國 MIDAS 公司編制的 MIDAS/building結(jié)構(gòu)大師模塊（細分墻元模型，2011 版）進行計算，考慮偶然偏心地震作用、雙向地震作用、扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)以及施工模擬加載的影響。

3.3.2 整體計算結(jié)果匯總（多遇地震）

根據(jù)規(guī)范有關(guān)規(guī)定，本工程采用 SATWE、MIDAS/building 兩個程序進行計算分析，主要參數(shù)取值如下：計算振型個數(shù)取 21，周期折減系數(shù)取 0.9，中梁剛度增大系數(shù)取 2.0，連梁剛度折減系數(shù)取 0.7，相關(guān)結(jié)果對比表如表 3。

表3 整體計算結(jié)果表

計算軟件SATWEMidasbuilding

自振周期T13.5569（X）3.6018（X）

T23.5044（Y）3.4679（Y）

T32.8372（T）2.9236（T）

第1扭轉(zhuǎn)/第1平動周期

剪重比（剪重比限制按高規(guī)JGJ3-2010第4.3.12條插值）X

Y0.7952.36>2.03%（=0.85X2.38%）

2.57%>2.4%0.8122.22%>2.01%（=0.85X2.36%）

2.46%>2.40%

有效質(zhì)量系數(shù)X

Y99.5%

99.75%96.59%

95.32%

50年一遇風(fēng)荷載最大層間位移角限值：1/870

限值：1/870（按屋面高度165m插值）X

Y1/4285（38）

1/1786（45）1/4438（38）

1/1927（45）

規(guī)范反應(yīng)譜地震作用下最大層間位移角（層號）

限值：1/870（按屋面高度165m插值）X

Y1/935（38）

1/969（46）1/902（38）

1/982（45-46）

考慮偶然偏心最大扭轉(zhuǎn)位移比（層號，SATWE）

（對應(yīng)層間位移角）X

Y1.10（1）（1/3563）

1.22（1）（1/3227）-

-

首層構(gòu)件最大軸壓比（SAYWE）剪力墻

框架柱0.48

0.70

本層 剛度與上層側(cè)向剛度的比值中最小值按《高規(guī)》JGJ3-2010第3.5.2條第2款計算X

Y本層層高大于上一層的1.5倍

-

-其它樓層

1.019（38）>0.9

1.021（38）>0.9

樓層受剪荷載力與上層比值中的最小值（層號）X

Y0.97（38）>0.8

0.97（6）>0.80.965（8）>0.8

0.966（37）>0.8

剛重比EJd/GH2X

Y3.43>2.7

3.79>2.7

3.3.3 計算結(jié)果驗證

根據(jù)上述計算結(jié)果，結(jié)合規(guī)范要求及結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計理論，可以得出如下結(jié)論：

1）第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期之比小于 0.85，滿足高規(guī) JGJ3-2010 第 3.4.5 條要求；

2）有效質(zhì)量系數(shù)大于 90%，所取振型數(shù)滿足要求；

3）水平力作用下的層間位移角滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3-2010）第 3.7.3 條的要求，建筑物高度在 150～250m 間時可在1/1000～1/500 間線性插值；

4）剪重比基本滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第 5。2。5 條要求，剪方法，調(diào)整結(jié)構(gòu)總剪力和各樓層的水平地震剪力使之滿足要求；

5）在偶然偏心地震荷載作用下，1#樓首層 Y 向最大扭轉(zhuǎn)位移比為1.22（最大層間位移角 1/3227 小于規(guī)范限值的 40%），略大于限值 1.2，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)；

6）各塔樓底部剪力墻軸壓比小于 0.5，滿足規(guī)范對剪力墻構(gòu)件軸壓比的規(guī)定；

7）根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010 第 4.5.2 條，本工程各樓層側(cè)向剛度均大于上一層的 90%，當(dāng)下層層高大于上層層高1.5倍時，大于 110%，沒有軟弱層，不屬于豎向剛度不規(guī)則結(jié)構(gòu)；

8）各層受剪承載力均不小于上一層的 80%，滿足高規(guī)第 3.5.3 條的規(guī)定，不屬于樓層承載力突變；

9）結(jié)構(gòu)剛重比大于2.7，滿足規(guī)范對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的要求，不考慮重力二階效應(yīng)的影響；

10）SATWE 與 MIDAS/building 的計算結(jié)果相近，這說明計算結(jié)果合理、有效，計算模型符合結(jié)構(gòu)的實際工作狀況；

11）計算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)周期及位移符合規(guī)范要求，剪重比適中，構(gòu)件截面取值合理，結(jié)構(gòu)體系選擇恰當(dāng)。

3.4 彈性時程分析

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010 第 5.1.13 條：抗震設(shè)計時，B 級高度高層建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用彈性時程分析法進行補充計算，根據(jù)《抗規(guī)》第 5.1.2 條表 5.1.2-1 規(guī)定，對本棟塔樓進行了多遇地震下的彈性時程分析。按地震波選取三要素（頻譜特性，有效峰值和持續(xù)時間），選?、蝾悎龅厣蟽山M實際強震記錄 Tianran1 波和 Tianran2 波，以及一組人工模擬的場地波 Rengong1 波進行彈性時程分析；在時程分析中，主方向與次方向的峰值加速度的比值為 1.00∶0.85。彈性時程分析結(jié)論：

1）時程分析結(jié)果滿足平均底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果的80%，每條地震波底部剪力不小于反應(yīng)譜法結(jié)果的 65%的條件，所選地震波滿足規(guī)范要求；

2）在結(jié)構(gòu)部分樓層規(guī)范反應(yīng)譜計算得出的樓層剪力和樓層彎矩小于彈性時程分析的結(jié)果。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)對結(jié)構(gòu)地震力適當(dāng)放大，放大系數(shù)介于 1～1.4 之間。

4、針對超限采取的主要措施

剪力墻是本結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件，因此必須采取措施提高核心筒墻體的延性和穩(wěn)定性，使抗側(cè)剛度和整體結(jié)構(gòu)延性更好的匹配。針對剪力墻的具體措施有：

1）針對 B1 層和首層高度較大的剪力墻，增加其厚度到 600～700mm，加強其平面外穩(wěn)定性。局部樓電梯不可加厚的墻肢，采用現(xiàn)澆樓梯板與墻肢連成整體的設(shè)計措施，以增強墻肢平面外的穩(wěn)定；

2）底部加強區(qū)剪力墻抗震等級提高到特一級；

3）底部加強區(qū)剪力墻：X 向按中震彈性，Y 向按中震抗剪彈性、抗彎不屈服的性能目標進行設(shè)計；

3）底部加強區(qū)特一級墻身水平分布筋最小配筋率提高到 0.6%，豎向分布筋最小配筋率提高到 0.6%；其它一級墻身水平分布筋最小配筋率提高到 0.3%，豎向分布筋最小配筋率提高到 0.3%；

4）提高底部加強區(qū)剪力墻約束邊緣構(gòu)件豎筋最小配筋率到 1.4%，特一級墻身配箍特征值提高 20%；在底部加強區(qū)部分受力較大位置剪力墻端部暗柱內(nèi)設(shè)型鋼，并向上延伸 2 層；

5）底部加強區(qū)剪力墻軸壓比控制按“高規(guī)”要求：一級和特一級剪力墻在重力荷載代表值作用下墻肢軸壓比控制在 0.5 以內(nèi)。通過以上加強措施，經(jīng)過計算復(fù)核，本工程結(jié)構(gòu)抗震性能目標達到設(shè)定要求。

5、結(jié)束語

綜上所述，本工程在結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用概念設(shè)計方法，根據(jù)抗震原則及建筑特點，首先對整體結(jié)構(gòu)體系及布置進行仔細的考慮并作優(yōu)化，使之具有良好的結(jié)構(gòu)性能?？拐鹪O(shè)計中采用性能化設(shè)計方法，除保證結(jié)構(gòu)在小震下完全處于彈性階段外，還補充了主要構(gòu)件在中震、大震下作用下的性能要求，再采取多種計算程序進行了彈性、彈塑性的計算，計算結(jié)果表明，多項指標均表現(xiàn)得較為良好，基本滿足規(guī)范的有關(guān)要求；使可控制的不規(guī)則程度得到基本有效控制。同時又通過概念設(shè)計及各階段的計算程序分析結(jié)果，對關(guān)鍵和重要構(gòu)件作了適當(dāng)加強，在構(gòu)造措施方面亦相應(yīng)作了處理。本工程除能夠滿足豎向荷載和風(fēng)荷載作用下的有關(guān)指標外，結(jié)構(gòu)抗震性能目標達到設(shè)定水平，因此可以期望本工程結(jié)構(gòu)體系在遭遇地震作用時能達到小震不壞，中震可修，大震不倒的抗震設(shè)防目標。

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