超高層建筑結構抗震設計

李志堅

摘要：本文結合工程實際，介紹了結構的超限設計，對超高層建筑結構抗震設計進行分析，以供類似工程參考。

關鍵詞：超高層;結構方案;抗震設計

1?? 工程概況

項目為集商業、餐飲、辦公于一體的多功能建筑，設3層地下室，底板面標高為-14.9m;地面以上53層，下部5層為裙樓，裙樓層高為 5.1～6m，標準層層高為4.2m，總建筑面積為 126560.42m2;結構總高度237.8m，屬乙類超高層建筑。采用鋼筋混凝土框架-核心筒結構體系。

根據規范[1，2]，工程結構安全等級為一級，結構重要性系數為 1.1，建筑結構抗震設防類別為乙類，地基基礎設計等級為甲級，結構抗震設防烈度為 8 度（0.20g），建筑場地類別為Ⅱ類，基本風壓按《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2001）取值，為 0.30 kN/ m2。

2?? 結構方案需重點解決的問題及思路

2.1 結構方案選擇

項目位于 8 度區，結構高度達 237.8m，高寬比為 6.3，其核心筒高寬比偏大（核心筒 Y 向的高寬比為13.6）。如何控制結構在地震作用下的最大位移處于規范[1，2]限值內的同時，又使結構構件尺寸、造價在可接受的范圍內是結構設計的重點。結構方案從控制造價出發，優先考慮鋼筋混凝土結構;從減少結構剛度突變的不利影響考慮，應盡量減少加強層的使用;另外也可減小結構自重。為此，項目方案階段共做了 4 種方案比選。

方案一：鋼筋混凝土方案 1。其標準層典型梁高為 700mm，配合建筑平面功能及立面造型的需要，沿建筑外圍共布置了16根框架圓柱，其中23層及以下為型鋼混凝土柱，23 層以上為鋼筋混凝土柱，典型柱直徑為1600mm。

方案二：鋼筋混凝土方案 2。梁柱平面布置基本同方案一，但通過在設備層增設伸臂桁架，在滿足剛度要求的前提下，將結構梁高減小。其標準層典型梁高為 500mm，典型柱直徑為 1 600mm。

方案三：混合結構方案 1。梁柱平面布置基本同方案一，但梁采用鋼梁，柱采用鋼管混凝土柱。其標準層典型梁高為 700mm，典型鋼管混凝土柱直徑為 1 600mm。

方案四：混合結構方案 2。梁柱平面布置基本同方案一，同樣采用鋼梁及鋼管混凝土柱，但通過在設備層增設伸臂桁架，并加大鋼管混凝土柱截面，在滿足剛度要求的前提下，將結構梁高減小。其標準層典型梁高為 400mm，典型鋼管混凝土柱直徑為1 800mm。

各方案標準層造價比較見表 1，方案三、方案四因采用了鋼梁及鋼管混凝土柱，相應構件造價高于方案一、方案二，業主決定采用鋼筋混凝土方案，而加強層需進一步比選其優劣性。

表1? 各方案標準層造價比較

為進一步比較加強層的敏感性，根據建筑功能需求及結構受力要求，對可能采用的結構方案進行了進一步分析比較，各方案層間位移角比較見表 2。

表2? 小震作用下各方案層間位移角比較

注：方案二中 C 工況的剛度不滿足規范[1，2]要求，其他均滿足規范1/530的要求。

經對比分析設加強層與不設加強層的小震計算結果發現，不設加強層時，結構仍能滿足規范[1，2]有關整體計算指標，且避免了加強層帶來的剛度和內力突變，故最后決定采用不設加強層的外框架 + 核心筒體系。主要框架梁采用截面為600mm×700mm 的框架梁。

2.2 結構體系

為配合建筑平面功能及立面造型的需要，沿建筑外圍共布置了 16 根框架圓柱，其中23層及以下為型鋼混凝土柱，23層以上為鋼筋混凝土柱，框架柱直徑由底部的 1600mm 漸收至頂部的1400mm;中部的鋼筋混凝土核心筒沿建筑全高連續貫通布置，核心筒周邊剪力墻厚度由底部的1300mm（X向），1200mm（Y向）漸收至頂部的 500mm（X向），400mm（Y向）。外框柱與核心筒共同構成兩道抗震防線，為結構提供必要的重力荷載承載能力和抗側剛度。水平荷載作用下產生的剪力和傾覆力矩由外框架和核心筒兩道防線共同承受，其中核心筒承擔了結構大部分剪力和彎矩。

3?? 結構分析及計算結果

3.1 結構超限類型

工程超限有兩項：1）扭轉位移比超過 1.2（最大值為 1.31），屬于扭轉不規則;2）建筑高度超過了規范[1]中 B 級高度鋼筋混凝土高層建筑的最大適用高度，此項為本項目結構設計的難點和重點。針對本工程的結構特點，參照規范[1]，設定結構的抗震性能目標為 C，不同地震水準下的結構構件的抗震性能目標見表 3。

表3? 結構構件的抗震性能目標

注：輕微損壞為稍加修理即可繼續使用，承載力按標準值復核;輕度損壞為一般修理后可繼續使用，承載力按極限值復核;中度損壞為修復或加固后可繼續使用，承載力達到極限值后能維持穩定，降低少于 5%;比較嚴重損壞為需排險大修，承載力達到極限值后能維持穩定，降低少于 10%。

3.2 風荷載和小震作用下的彈性分析按規范[1，2]要求，本項目采用 2 個不同力學模型結構分析軟件（SATWE，ETABS）進行小震作用下的結構整體計算。結構嵌固部位設在首層，整體計算時輸入地下室以考慮其對上部塔樓的影響。在規定水平力作用下，結構底層（首層）框架和核心筒剪力墻承擔的剪力比例結果表明，工程各項整體指標均能滿足相關規范[1，2]的要求;墻、柱的軸壓比和各構件的強度及變形也均能滿足要求，完全能達到小震作用下“完好無損壞、變形小于彈性位移限值”的第一階段的抗震性能目標。

通過SATWE軟件，采用振型分解反應譜（CQC）法和時程分析法對結構進行小震作用下的彈性時程分析。結果表明，在多遇地震作用下，CQC 法的計算結果大于 7 條波時程分析結果的平均值。在進行施工圖設計時，按 CQC 法的計算結果進行配筋設計。

3.3 中震分析及結構抗震性能評價

根據規范[1]，綜合考慮抗震設防烈度、結構體型規則性、超限程度等因素，本工程采用相對簡化的等效彈性方法進行中震作用下的性能分析，分析時結構阻尼比取 0.06，連梁剛度折減系數取 0.4。采用 SATWE 軟件計算，荷載及承載力均采用標準值，不考慮與抗震等級有關的最大系數和承載力抗震調整系數。中震分析的地震動參數按規范[1，2]取值：αmax= 0.45，Tg= 0.45s。中震作用下的最大層間位移角計算結果見表4。

表4? 中震作用下的最大層間位移角

中震驗算結果表明，其最大層間位移角滿足所設定的性能目標要求，標準層除部分連梁出現受彎屈服（受剪不屈服），進入“中度損壞”外，其他大部分連梁以及豎向構件和框架梁均能達到不屈服，滿足“輕微損壞”的要求;經復核，墻、柱未出現拉力。故抗震構件能滿足表 3 中所設定的性能目標要求。

3.4 大震動力彈塑性分析及結構抗震性能評價

采用 PERFORM-3D 軟件進行動力彈塑性時程分析，構件性能水準參考美國 FEMA 的相關規定。通過各組地震波下結構主要整體計算指標，可見最大層間位移角為 1/128，小于表 3 中預設的性能目標（1/110）。

由大震作用下動力彈塑性分析結果可知：

（1）結構的基底剪力和能量耗散表明，結構在大震作用下基本處于中等的非線性狀態。

（2）在滯回耗能中，剪力墻約占 20%，連梁及框架梁約占 80%，柱基本不參與耗能。可見連梁是主要的耗能構件。

（3）有大量的連梁或者框架梁出現彎曲塑性鉸，并達到“中度損壞、部分比較嚴重損壞”的程度，滿足表 3 中預先設定的抗震性能要求。連梁先行屈服形成鉸機制有重要意義，其進入塑性狀態后，一方面使整體結構剛度退化，有效地降低了整體結構和剪力墻所承受的地震作用，另一方面又通過自身的塑性變形耗散了較大部分的地震能量，實現了其作為第一道設防體系來消能和保護墻肢的目的，是其“保險絲”功能得以實現的體現。

（4）框架柱出現彈塑性變形：對于軸彎受拉，塔樓范圍內的柱均未超過輕微損壞，裙樓范圍內的少量柱進入中度損壞;對于軸彎受壓，局部柱達到輕度損壞，混凝土沒有壓碎;對于抗剪，柱沒有出現脆性剪切破壞，通過對薄弱部位進行加強配筋，可滿足抗剪不屈服的要求;而且中度損壞的柱主要為裙樓頂層的柱，主要原因為其軸力小、彎矩大，受力情況基本類似于梁，實質上也可看作耗能構件。施工圖設計時擬對裙樓頂層柱截面及配筋適當加強。因此，框架柱基本可達到表 3 中設定的“輕度損傷”的性能目標。

（5）剪力墻出現彈塑性變形：對于軸彎，墻端受拉最大超過了輕微損壞，但均沒超過輕度損壞，墻端受壓除底層個別兩片墻肢外均沒有超過輕度損壞;對于抗剪，剪力墻的剪力均未超過抗剪截面限制條件，通過對剪應力較大部位的相應加強，可使剪力墻在大震作用下滿足抗剪不屈服的性能要求。因此剪力墻能達到表 3 中設定的“輕度損傷”的抗震性能目標。

（6）動力彈塑性時程分析顯示結構能夠滿足大震性能目標。

3.5 抗震加強措施

抗震的主要加強措施有：1）核心筒剪力墻的抗震等級均按特一級，外框架地下 1 層～地上 20 層為特一級，20 層以上為一級;2）23 層以下采用型鋼混凝土柱，以提高框架柱的抗震延性;3）地下 2 層 ～地上 5 層采用型鋼混凝土剪力墻筒體，加強底部加強區剪力墻的延性;4）加強剪力墻的構造配筋，以保證剪力墻在大震作用下不率先出現剪切破壞，并具有良好的延性。

4?? 結論

（1）在小震作用下，結構的周期比、側向剛度、豎向規則性、扭轉位移比等指標均符合現行規范[1，2]的相關要求，能達到“小震完好”的性能目標;在中震作用下，結構能滿足“重要和一般構件不屈服，僅耗能連梁少量屈服”的抗震性能目標;在大震作用下，結構能滿足“不嚴重破壞”的抗震性能目標，因此可以認為本工程的結構體系在遭遇地震作用時，結構整體能達到性能 C以上的抗震設防目標。

（2）因本工程屬位于高烈度區的超高層建筑，為提高結構的抗震性能，23層以下采用型鋼混凝土柱，以提高框架柱的抗震延性，地下2層～地上 5層采用型鋼混凝土剪力墻筒體，加強底部加強區剪力墻的延性。

（3）本工程雖然屬于高烈度區的超高層建筑，結構高度達到 237.8m，但通過細致的分析及結構布置，達到使用普通的結構形式即滿足各項性能目標的效果，有效地節約了工程造價。

參考文獻：

[1]JGJ 3—2010 高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[2]GB 50011—2010 建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.