抗震性能設計方法在某超限高層中的應用實例

耿建華

(嘉博(福建)聯合設計有限公司 福建福州 350001)

隨著社會生產力和科學技術的發展，以及人類活動的需要而發展起來的高層建筑，已經成為一個城市乃至國家經濟繁榮和社會進步的重要標志。隨著我國發達程度不斷提高，大城市人口日漸密集，高層建筑結構不僅能夠節約土地資源，還同時發揮著美化城市空間環境的作用，越來越多的大中城市對高層及超高層建筑有了更迫切的需求。新世紀以來，各種異形建筑，復雜結構的不斷增多，使人們對結構的安全性提出了更高要求。

基于性能的抗震設計引起了國際地震工程領域的廣泛重視，在一段時間內，引領著結構抗震設計的發展潮流[1]。超限高層抗震設計的宏觀定性已經很明確，但實際的工程應用中需要可操作性強、設計目標明確的設計方法，該方法很好的實現了這一目標，使設計工作具有了更明確的目的、更強的可操作性和更高的可靠性[2]－[4]。

本文通過一個具體工程實例的設計，介紹了抗震性能化設計的步驟和方法。根據工程特點，確定了設計的性能目標和性能水準，闡述了各個目標在小震、中震以及大震下如何具體實現等內容，總結出建筑結構進行抗震性能化設計的基本流程，希望能給類似項目的設計提供幫助。

1 工程概況

本工程位于莆田市仙游縣，其中超限高層2#樓為集商業與辦公一體化的綜合商業體，地上建筑面積約49500m2，主體高度 149.900m，考慮室內外高低差 100mm，結構總高度150.00m，結構高寬比4.09。一至五層為商鋪，六層及以上為酒店式公寓和辦公，避難層設在十二層和二十三層，頂部構架平均高度7.4m，設有直升機停機坪。兩層地下室建筑面積約65000m2，負一層為商鋪，負二層為地下車庫和部分設備用房。

本工程地處莆田市仙游縣，根據《建筑抗震設計規范》[5]查得:抗震設防烈度為6度;設計地震分組:第三組。根據地質勘查報告，場地類別:Ⅱ類，屬對建筑抗震不利地段。據安評報告提供:抗震設防烈度為7度;設計地震分組:第三組;水平地震影響系數最大值:0.079;場地類別:Ⅱ類;特征周期:0.45s。

本工程設計取值為:抗震設防烈度為7度;設計地震分組:第三組;水平地震影響系數最大值:0.08;場地類別:Ⅱ類;特征周期:0.45s。

2 結構體系

結構主體采用框架－核心筒結構體系，樓蓋為普通鋼筋混凝土梁、板結構。取基礎承臺面為主體嵌固部位。一至四層附帶一跨商業裙房，五層及以上為結構標準層，標準層層高4.75m，避難層位于十二層和二十三層，層高3.65m。標準層梁、墻柱布置如(圖1)所示。

框架柱截面由底層至頂層逐漸縮小;核心筒外圈鋼筋混凝土剪力墻厚度由首層到頂層從700mm～300mm逐漸變化，內部剪力墻主要承受豎向荷載，按軸壓比控制。豎向構件混凝土強度等級自下而上采用C60～C30(地下二層～6層采用C60混凝土，7～12層采用C55混凝土，13～17層C50混凝土，18～23層C45混凝土，24～26層C40混凝土，27～29層C35混凝土，30及其以上均為C30混凝土)。混凝土等級變化與墻柱截面變化上下錯開一層以上，避免結構豎向剛度發生突變。

3 結構超限及采取的措施

根據《建筑抗震設計規范》[5]和《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》[6](建質[2010]109號)判定:本工程高度超限情況為超A級不超B級;建筑結構一般規則性超限檢查，存在扭轉不規則;無特別不規則項目。

依照《高層建筑混凝土結構技術規程》[7]JGJ 3－2010，綜合考慮本工程的結構體系和超限情況，按《規程》中的B級高度建筑的相關條文進行設計，采取的相應措施如下:

(1)多程序計算分析結果進行對比，即分別采用SATWE和PMSAP程序對整體結構進行分析，并比較其內力與位移。

(2)多遇地震情況下，采用彈性時程分析方法補充計算。時程分析天然波的選取除應滿足《建筑抗震設計規范》GB50011－2010)第5.1.2款第3條外，還應考慮以下4個要素。

1)特征周期和場地的特征周期比較接近。

2)最大峰值符合規范要求。

3)時間間距可取0.01s或0.02s，持續時間不小于結構基本自振周期的5倍和15s。

4)在結構各周期點上，天然波對應的加速度反應譜與規范反應譜相差不超過20%。

根據上述原則，從場地安評報告提供的波中選用1條場地人工波和2條天然波，對本工程進行時程計算分析。

(3)底部加強區的框架柱及剪力墻，在中震計算時滿足抗彎不屈服、抗剪彈性。

(4)為控制彈塑性層間位移角限值，滿足大震不倒的要求，在罕遇地震作用下對結構進行Pushover靜力彈塑性分析;對結構進行大震不屈服計算，保證底部加強區的豎向構件滿足強剪弱彎的要求。

4 結構計算分析

《高層建筑混凝土結構技術規程》中對結構的抗震性能目標和性能水準進行了明確的分級。根據本工程的特點，設計時考慮采用此基于性能的抗震設計方法，確定本工程的整體結構抗震性能目標為D級，中震設計時，部分構件采用C級性能目標。具體主要構件目標分級見(表1)。

表1 結構各主要構件在不同抗震水準下的性能目標

4.1 多遇地震作用整體計算分析

同時考慮偶然偏心和雙向地震的不利影響采用振型分解反應譜法，對結構進行多遇地震作用下的整體分析。取15個振型，周期折減系數為0.85。(表2)為SATWE和PMSAP計算結果的分析對比。

表2 SATWE和PMSAP結果對比(多遇地震作用)

通過結果對比，在多遇水平地震作用下，SATWE和PMSAP兩種程序所得剛度、結構位移等指標均滿足規范要求。結構剛重比位于1.4到2.7之間，在水平力作用下需考慮P－△效應對結構位移和內力的不利影響，結構滿足整體穩定的要求。

根據《建筑抗震設計規范》(GB50011－2010)、《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3－2010)采用時程分析法進行多遇地震作用下的補充計算，地面運動最大加速度取35cm/s2，根據場地類別和特征周期，取場地安評報告所提供的1條人工波和2條場地天然波，可得(圖2)所示的地震波平均地震影響系數曲線。從圖中可看出兩條曲線在統計意義上相吻合。

結構彈性時程分析結果見(圖3)。

圖2 地震波反應譜與規范譜對比圖

從(圖3)所示的結構彈性時程分析結果來看，X、Y向各三條波中每一條波作用下的基底剪力都大于反應譜法基底剪力的65%，且平均基底剪力大于反應譜法基底剪力的80%，滿足規范對時程分析地震波選取的要求。

4.2 中震作用整體計算分析

中震作用下結構整體計算時，最大地震影響系數α按安評報告取0.23，同時不小于規范值。底部加強區的豎向構件按需滿足抗剪彈性的要求。設計時承載力調整不考慮抗震等級，不計算風荷載，材料強度采用設計值;實際計算在SATWE程序中采用地震影響系數直接放大，墻、柱抗震等級均調整為四級。底部加強區的豎向構件抗彎不屈服計算時，不考慮地震組合內力調整系數，荷載分項系數取1.0，材料強度取標準值，抗震承載力系數γRE取1.0，實際計算在SATWE程序中采用地震影響系數直接放大，中震或大震設計選擇“不屈服”。計算結構表明，在中震作用下，底部剪力墻出現微小拉應力，考慮鋼筋抗拉可滿足要求;整體分析剪力墻承載力滿足中震不屈服要求;局部連梁出現剪壓屈服，局部框架梁出現抗彎屈服。底部加強區剪力墻斜截面可滿足彈性承載力要求。

4.3 罕遇地震作用整體計算分析

在罕遇地震作用下，部分結構構件會發生屈服甚至破壞而退出工作，結構整體工作狀態由彈性階段進入彈塑性狀態。隨著塑性的不斷發展，結構的剛度逐漸減小，阻尼逐步加大。PKPM的pushover模塊能夠模擬和分析這一過程，同時能夠大致確定結構在罕遇地震下的破壞過程，找到薄弱部位。設計者能夠根據分析結果對薄弱部位進行針對性的加強，從而確保結構在罕遇地震作用下滿足性能設計的要求。

圖3 彈性時程分析部分結果

計算結果表明:結構的能力譜曲線與罕遇地震的需求譜曲線在X、Y方向上均能發生交叉，X、Y方向的性能點對應的最大層間位移角分別為1/156(X向)和1/128(Y向)，滿足規范規定的限值要求和性能目標要求。X向最大層間位移角1/156發生在10層，Y向最大層間位移角1/128發生在20層。具體計算結果詳見(圖4)。

結構塑性鉸分布見(圖5)，可以看出塑性鉸主要集中于連梁、框架等耗能構件，底部樓層剪力墻出現剪切裂縫，其余樓層剪力墻輕度損傷，結構整體的豎向構件均有不同程度的損傷，墻體之間的連梁起到了延性耗能的作用。全樓豎向剛度分布較為均勻，沿結構高度方向，樓層位移和層間位移角分布變化較為均勻，結構不存在薄弱層，整體結構的承載力并沒有明顯的降低。

圖5 塑性鉸計算結果

罕遇地震作用下，底部加強區豎向構件需滿足受剪截面的限制條件。為避免剪切脆性破壞，要求豎向構件斜截面極限承載能力的安全度高于其正截面偏心受壓極限承載能力的安全度。剪力墻剪壓比查SATWE結果，按《高規》公式(3.11.3－4)列表計算，不滿足要求時墻體邊緣構件內加設型鋼，按《高規》公式(3.11.3－5)復核。

從上述計算結果可以看出，無論在小震、中震還是大震作用下，結構整體及構件均能滿足(表1)相應性能目標的要求。

5 結論

本工程為高度150m的框架－核心筒結構，超出A級高度建筑最大適用高度，在設計中采取了基于性能的抗震設計方法。根據建筑結構在不同地震水準作用下所要求達到的性能，確定其抗震性能目標及性能水準;針對不同位置結構構件的重要程度提出了不同的控制目標。經以上結構彈性和彈塑性分析，在多遇地震作用下，結構整體變形滿足規范要求，結構構件處于彈性狀態;在設防烈度地震荷載作用下結構進入彈塑性狀態，結構底部豎向構件滿足抗剪彈性，抗彎不屈服設計要求;在罕遇地震作用下結構彈塑性位移滿足規范要求，關鍵豎向構件未出現屈服，本工程結構整體性能滿足設計的性能能目標和規范要求。

[1]閆懷青.基于性能的抗震設計[J].中小企業管理與科技，2013.

[2]洪哲.基于性能的抗震設計方法在某超限酒店工程中的應用[J].福建建筑，2014.

[3]王東波，劉滿紅.結構基于性能的抗震設計分析討論[J].山西建筑，2012.

[4]某超高層框架—核心筒混合結構的結構設計介紹[J].廣東土木與建筑，2012.

[5]GB50011－2010，建筑抗震設計規范[S].

[6]《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》(建質[2010]109號)[S].

[7]JGJ3－2010，高層建筑混凝土結構技術規程[S].