某小區(qū)超限結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計分析

羅奎

（中信建筑設(shè)計研究總院有限公司 湖北武漢 430014）

1 引言

一些超限結(jié)構(gòu)建筑屬于高度超限、平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則以及平面凸凹不規(guī)則的超限高層建筑。本文將結(jié)合三個空間分析程序SATWE、PMSAP和MIDAS進行對這些超限建筑的抗震系數(shù)進行計算，盡可能的做到讓建筑能達到“小震不壞、大震不倒、中震可修”的抗震設(shè)防要求。如某一規(guī)劃高層建筑住宅，其結(jié)構(gòu)便為全現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻的結(jié)構(gòu)，建筑層數(shù)高達51層，分為地下2層和地上49層。地下二層的結(jié)構(gòu)層高達4.5m，下一層結(jié)構(gòu)層高達5.0m；地面首層層高為4.0m，以上其他住宅層層高均為3.0m，建筑至大屋面的高度為154m。

2 工程案例

如某一工程位于某地區(qū)，該工程包括了地下3層和地上33層的建筑，總高度達133.15m，是一個典型的商業(yè)住宅建筑。這項工程的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，考慮到建筑立面及空間使用的要求，該工程使用的是豎向抗側(cè)力構(gòu)件（柱、剪力墻、支撐）不連續(xù)技術(shù)，這項工程的設(shè)計便屬于抗震超限建筑。通過對建筑結(jié)構(gòu)進行布置，構(gòu)件尺寸進行優(yōu)化和對結(jié)構(gòu)整體進行一系列的計算與對關(guān)鍵構(gòu)件的內(nèi)力進行分析，從而對工程的抗震性能有了可靠的保證。

3 高層建筑超限結(jié)構(gòu)的特點分析

根據(jù)超限建筑物本身進行構(gòu)建有利的特點而言，在工程建設(shè)時，其結(jié)構(gòu)材料一般使用常規(guī)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)就能夠解決問題，并不需采取鋼結(jié)構(gòu)或者鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)，這樣便可大大降低工作量，節(jié)約建設(shè)成本。但鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的重量過大，周期也相對較長，由于這些因素，在一般建筑應用中常常會根據(jù)結(jié)構(gòu)本身的特點針對性的做出選擇，選擇采用何種結(jié)構(gòu)，并不是單一的局限于某一種建筑結(jié)構(gòu)，如果采用框架——核心筒的結(jié)構(gòu)體系就已經(jīng)可以滿足建筑對剛度和受力要求，就不需要再通過加強層、蒙皮或巨型支撐等特殊的手段加強建筑的剛度和受力。在常遇地震和風載作用下，根據(jù)工程自身的指標，建筑的最大層間位移角為Y向的設(shè)計時要大于規(guī)定的限值（見表1），以確保建筑在惡劣自然災害下仍能保障居民的安全。

表1 自振周期計算結(jié)果

4 對于高層建筑超限設(shè)計因素的分析

4.1 基本抗震設(shè)計方法是否可以滿足抗震性能目標

小震作用的計算分析結(jié)果往往是借助振型分解反應譜法或者彈性動力時程法來實現(xiàn)；中震就是通過結(jié)構(gòu)構(gòu)件的屈服判斷分析法對高層建筑的控制作用進行討論與分析；大震通常是借助靜力彈塑性的Pushover推覆分析以及動力彈塑性分析對高層建筑結(jié)構(gòu)實施單獨分析與計算，之后對所得的結(jié)果進行對比分析，并判斷檢測建筑結(jié)構(gòu)是否滿足相關(guān)抗震的規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計思路：①可依據(jù)多遇地震及風荷載等荷載作用下的建筑結(jié)構(gòu)彈性的計算結(jié)果結(jié)合按現(xiàn)行規(guī)范來進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。②通過屈服判別法對設(shè)防烈度地震作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的屈服進行驗算，并分析建筑結(jié)構(gòu)所受到的損傷程度是否嚴重。③采用靜力彈塑性的方法對罕遇地震作用下的彈塑性層間位移角等指標進行驗算，判斷是否達標，并對建筑結(jié)構(gòu)的受損程度進行分析比較，最后確定建筑結(jié)構(gòu)的薄弱部位在哪里，加強其抗震效果，有效的對結(jié)構(gòu)抗震提出有效的加強措施。

4.2 考慮風載作用控制情況和驗算風作用下的舒適度

由于超限結(jié)構(gòu)的建筑往往都具有高層的特點，根據(jù)以往經(jīng)驗來看，對于高度較大的超限建筑往往都不是因為地震帶來控制作用，很大一部分原因都是由于風力作用引起建筑左右搖晃。因此，雖然風力載荷作用不作為抗震超限審查的必須項目，但從建筑結(jié)構(gòu)周期的特點上分析，風荷載作用仍需要被考慮到超限設(shè)計分析中。在進行指標的具體分析時，要先從其他一些受相鄰超高層建筑風擾影響的超高層建筑的風洞實驗的結(jié)果下手著重進行分析。如在實際生活中可能會出現(xiàn)橫風作用大于順風作用的超限結(jié)構(gòu)工程的控制作用情況，這時，就是要結(jié)合該工程的超限結(jié)構(gòu)和體型特點的綜合考慮，預估計當由橫向風左右時，對超限結(jié)構(gòu)的影響比順風而起的控制作用的增大值要超出多少（可將兩個方向的風壓值分別乘以1.3的放大系數(shù)進行相應的位移和強度計算），通過數(shù)值來判斷真正對建筑結(jié)構(gòu)起控制作用的橫向風作用和最好的舒適程度。

4.3 根據(jù)高層超限剛度需求和結(jié)構(gòu)構(gòu)件分析溫差效應

因為高層豎向構(gòu)件、筒體的硬度與橫截面相對較大，所以會對現(xiàn)澆混凝土樓蓋梁板由溫度變化導致其出現(xiàn)水平方向的裂縫進行有效控制，從而讓建筑每個部件之間產(chǎn)生相互約束的應力，達到建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部的動態(tài)平衡。一般來說，在實際設(shè)計過程中，必須優(yōu)先分析混凝土終凝過程中溫度的變化以及有樓屋蓋施工對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加應力。

4.4 針對超限分析要考慮混凝土徐變收縮對結(jié)構(gòu)的影響

徐變收縮是一個專屬于混凝土的特征，鋼結(jié)構(gòu)便不會受徐變收縮影響。在混凝土結(jié)構(gòu)中，壓應力的作用隨著時間的積累會使混凝土持續(xù)變形，直至達到一定程度上的積累，這就是徐變變形。一般情況下，超限高層建筑的豎向高度都很大，會發(fā)生徐變變形（且累計變形量較大）和收縮變形。當二者相伴同時發(fā)生時就會產(chǎn)生形變疊加作用，導致整個超高層建筑豎向構(gòu)建后期非荷載直接引起的塑性形變達到一個量級無法恢復，嚴重時還會接近甚至超過最大荷載而直接引起彈性形變，因此，這一形變不容小覷，要高度重視，因為極有可能對一些結(jié)構(gòu)構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件造成很大的負面影響。在工程實施前的工程設(shè)計上，要對混凝土徐變收縮的影響做好量化分析，正確估計其產(chǎn)生影響的程度，并針對可能出現(xiàn)的問題制定出針對性的措施，進一步為建筑結(jié)構(gòu)與非建筑結(jié)構(gòu)提供一定的質(zhì)量保障。比如當建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)外圍鋼管柱壓應力水平高、內(nèi)部筒體壓應力水平低，彈性壓縮變形為外圍柱大、內(nèi)筒處小等一系列情況時，因彈性壓縮變形差距較大，連接鋼管柱和混凝土的框架就會有很大的附加內(nèi)力，可以很大程度上的控制梁端配筋，有效的控制可防止嚴重超筋的現(xiàn)象發(fā)生。由此看來，采取可靠的施工措施可以讓框架梁的鋼筋最大程度的用在抵抗載荷的作用上，避免因硬抗非荷載作用的附加內(nèi)力使框架梁的鋼筋浪費。

5 高層結(jié)構(gòu)超限設(shè)計中主體問題的解決措施

（1）在對洞口周邊樓板進行設(shè)計時，洞口周邊的樓板要按彈性板進行設(shè)計，相應樓層的樓板加厚至150mm，配筋率控制在0.35%以上，并對樓板采用雙層雙向通長配筋的加強措施。

（2）適當增加框架部分外圈邊梁的截面，使質(zhì)心與剛心的位置盡量接近，以便更有效的提高結(jié)構(gòu)整體的抗扭能力和減小地震作用時的扭轉(zhuǎn)。

（3）在確保符合強柱弱梁的設(shè)計原則的前提下嚴格控制框架柱的軸壓比，同時加強框架柱的配筋。

（4）對超限高層采用兩個不同的且適合于結(jié)構(gòu)實際受力情況的有限元分析計算程序，通過振型分析反應譜法來對結(jié)構(gòu)進行了多遇地震作用下的整體分析與計算，并且對多遇地震作用下的彈性時程進行準確的分析與計算。

（5）對工程進行超限設(shè)計時，要充分結(jié)合高層超限建筑結(jié)構(gòu)特點，既要有對建筑本身對抗震要求的內(nèi)容，還需要對混凝土的徐變收縮、風載作用、溫差效應、鋼管柱與混凝土內(nèi)筒間豎向壓縮變形差對框架梁產(chǎn)生過大內(nèi)力的對應措施等多方面進行設(shè)計與分析，這些因素雖然不是在進行抗震超限審查時必須的內(nèi)容，但是這些內(nèi)容對高層超限結(jié)構(gòu)的設(shè)計實施有著決定性的影響，必須得到分析和解決。

6 結(jié)束語

綜上所述，本文結(jié)合了幾個具體的實例對某小區(qū)的超限結(jié)構(gòu)從抗震、舒適度、徐變收縮以及對主體問題的解決措施等方面進行了詳細的分析與計算。不僅如此，在通過軟件對施工實施模擬分析的過程中，必須全面分析施工過程中主體結(jié)構(gòu)受到地震、風載、活載以及恒載的不同變化；在計算的過程中，需要考慮其對各種混凝土收縮變化的不同影響，如此一來，才可以符合高層超限結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)規(guī)定。

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[2]楊琦，叢北華.超限高層建筑滅火系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟分析[J].中國給水排水，2012.

[3]黃良冬.福州某小區(qū)超限結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計[J].福建建材，2017（5）：42～45.