某復雜超限高層的建筑結構性能化設計分析

鄭 剛

（中煤科工集團重慶設計研究院，重慶 400010）

引言

我國的高層建筑正在朝著多功能化、現代化、大型化的方向發展。目前，區別于傳統高層建筑的新型高層建筑——超限高層建筑也越來越受到市場的喜愛[1]。超限高層建筑是指超出現行有關技術標準、規范所規定的適用高度、體型規則性等要求的高層建筑工程。由于傳統高層建筑的設計方法存在一定的局限性，基于性能化的設計方法逐漸的被發展起來。對超限高層建筑結構來說，抗震性能化設計顯得尤為重要。本文依據新修訂的規范，通過軟件SATWE，MAIDAS等有限元軟件對某超限高層建筑進行結構性能化設計分析，著重討論了結構的抗震問題，并提出了相應的加強措施。

1 實例分析

1.1 工程簡介

該工程位于6度區，1號塔樓設有地下室、裙房。地下室為全嵌固地下室車庫，3層。裙樓7層為綜合大型商業，其中第7層為轉換層。1號塔樓為商業住宅，塔樓35層，層高2.8m，結構總高度135m。本工程采用部分框支剪力墻結構。上部塔樓采 用鋼筋混凝土剪力墻；下部裙樓為鋼筋混凝土框架-剪力墻，部分框支。裙樓采用雙重抗側力體系，鋼筋混凝土剪力墻作為第1道防線，框架作為第2道防線。

裙樓為多層商場屬乙類建筑。其抗震措施應提高1度，按7度確定。塔樓部分為商住樓，屬丙類建筑，其抗震措施按6度確定。本工程為超A級高度、高位轉換的復雜結構體系，根據《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010第3.11.1條，結構抗震性能目標分為A、B、C、D四個等級。本工程選用C級性能目標。即多遇地震、設防烈度地震和預估的罕遇地震對應的結構抗震性能水準分別為1、3、4。各性能水準結構的預期的震后性能如表1所示。

表1 各性能水準結構的震后性能狀況

選用C級結構抗震性能目標。

1.2 結構超限情況分析

根據我國《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）規定，對結構超限情況做以下總結說明：高度超限，為B級高度高層建筑；轉換層位于裙樓第7層，屬高位轉換；大底盤，與塔樓的偏心嚴重；裙樓有一較大洞口，使樓板有效寬度較小；塔樓面積比裙樓面積小很多，塔樓收進明顯；樓層扭轉效應較明顯；由于轉換層的存在，結構豎向側度分布不均勻。因此，1號樓結構屬超限高層建筑。

1.3 超限結構性能化設計

前面已經總結1號樓計算單元存在超A級高度、高位轉換、大底盤、上部樓層收進、樓板開洞等超限項。為了保證超限結構設計做到安全、經濟、合理，從結構分析和結構抗震措施兩方面入手，保證結構具有良好的抗震性能。

對超限結構的結構設計主要有3方面：采用3種不同力學模型的空間分析程序SATWE（2011.9）、PMSAP（2011.9）、Midas Building進行對比校核計算，確保計算結果的可靠性；根據高規第5.1.13條規定，采用彈性時程分析法對結構進行了多遇地震作用下的補充計算，要求所采用時程曲線的平均地震影響系數曲線與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線在統計意義上相符；采用EPDA（2011.9）進行罕遇地震下的結構的彈塑性時程反應分析，考查結構的大震下的性能。

對于本超限結構的抗震措施主要有：從嚴控制結構的抗震等級；裙樓采用雙重抗側力體系；優化結構布置，合理布置剪力墻數量和位置，控制結構的扭轉效應；增加落地剪力墻數量，盡可能的減少結構側向剛度沿高度的變化；采用增加板厚（板厚取為120mm）和次梁等方式，提高樓板的整體性，保證樓板的傳力作用。

本工程中的關鍵構件為框支框架、底部加強部位剪力墻，普通豎向構件為普通框架柱、非底部加強部位剪力墻，耗能構件為框架梁、剪力墻的連梁。

針對超限設計的措施及對策：

裙樓采用雙重抗側力體系，鋼筋混凝土剪力墻作為第1道防線，框架作為第2道防線。為保證作為第2道防線的 框架具有一定的抗側力能力，通過調整使各層框架承擔的地震總剪力不小于底部總剪力的20%。

優化結構布置，合理布置剪力墻數量和位置，控制結構的扭轉效應，使結構的扭轉指標控制在現行規范規定的范圍內。

調整落地剪力墻數量及位置，盡可能的減少結構側向剛度沿高度的變化，使結構的各項抗震性能指標滿足現行規范要求

1.4 超限結構性能化分析

本超限結構的設計分析采用PKPM-SATWE、PMSAP、MIDAS分析軟件程序進行對比校核計算，建立分析模型如圖1所示。本分析模型地下室一層的側向剛度遠大于首層的側向側度，因此滿足嵌固端的要求，嵌固端選為地下室頂板；同時將1號樓簡化為單塔形式，如圖1所示。

圖1 1號塔樓分析模型

通過有限元軟件PKPM-SATWE、PMSAP、MIDAS對結構設計進行抗震性能化分析。對于此超限結構性能化分析主要對于小震作用下結構彈性性能分析（采用SATWEPMSAP與MIDAS對結構振型分解反應譜法進行分析，并對彈性時程進行分析）；同時對于中震作用下結構性能進行分析與結構彈塑性性能進行分析。通過有限元軟件對比分析，對結構性能化抗震性能做了分析。

1.5 分析結論與加強措施

1.5.1 本工程存在的問題

本工程采用采用SATWE、PMSAP、MIDAS三個不同力學模型的空間分析程序得到的各項指標基本一致，指標間的規律性相同，計算結果可信。通過分析主要存在的問題歸納為：

小震作用下，轉換層使得結構的樓層質量和側向剛度在轉換層位置發生突變，導致結構的層間位移角和位移比在該處發生突變。位移比，特別是偶然偏心作用下的位移比接近規范上限。

大震作用下，1號樓的轉換層以下部分剪力墻的端柱、與剪力墻相連的框支梁、轉換層以上塔樓剪力墻底部較薄弱，設計時應注意。

樓板受力分析表明：在小震作用下，樓板平面內的剪應力值遠小于樓板的抗剪強度，樓板處于彈性；而在大震作用下，部分樓板的平面內剪應力值超過其抗剪強度，設計時應加強。

綜上所述，結構具有較好的抗震性能，結構能達到“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震性能設計目標，結構方案可行。

1.5.2 加強措施

結構計算單元均為嚴重的不規則結構，雖相關指標滿足規范和規定的要求，但仍存在結構周期較柔、有抗震薄弱部位、部分指標接近上限等問題。根據分析，給出如下的設計主要加強措施：

為了防止中震和大震下1號樓大洞口兩側樓板破壞后改變1號樓的地震力傳遞途徑，對1號樓大洞口兩側連接樓板進行加強，施工圖設計時建議板厚設計為120mm以上，提高最小配筋率，采用3級鋼作為板鋼筋，配筋面積不小于雙層雙向φ10×120mm。

結構轉換層以上塔樓底部是結構抗震薄弱部位，要求部分采取與轉換層相同的混凝土強度等級和抗震等級。

根據計算分析，3棟塔樓轉換層以上塔樓底部均為薄弱層。建議施工圖設計時，該部分剪力墻墻厚增加至250mm以上，最小配筋率提高至0.35%，暗柱配筋率提高至1.5%，以提高延性，改善抗震性能。

2 結語

通過分析可以看出，本工程結構雖為復雜超限高層結構，但通過性能化設計，進行彈性和彈塑性分析，可以判定所選用的結構的抗震性能，針對選擇目標值及分析結果，采用有針對性的加強措施，使結構能達到“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震性能設計目標。

[1]呂西林，李學平.超限高層建筑工程抗震設計中的若干問題[J].建筑結構學報，2002，23（2）.

[2]JGJ3-2010 高層建筑混凝土結構技術規程[S].中國建筑工業出版社.

[3]GB50011-2010 建筑抗震設計規范[S].中國建筑工業出版社.

[4]陳建斌，羅志遠.某超限高層建筑結構整體設計分析[J].建筑結構，2005，35（3）:66-70.