泰州某超限高層抗震性能設計

王化生

摘? 要 ：隨著我國城鎮化建設進程的快速推進，超限高層建筑的數量快速上升，而其在地震工況下的安全性能成為必須重視的問題。該文通過對泰州某超限高層項目在小震、中震和大震工況下的結構計算分析，對其結構安全性進行了全面和準確的論證，經過論證可知其抗震設計達到預期目標，滿足建筑使用要求，結構方案安全可行，從而最終得出其抗震性能滿足結構安全的結論。

關鍵詞 ：超限高層 ;抗震性能設計 ;彈性分析 ;彈塑性分析

中圖分類號 ： TU352 文獻標志碼 ：A

0 引言

超限高層是指超過規范要求限制的高層建筑。隨著我國城鎮化建設進程的快速推進，建筑規模的不斷擴大以及建筑技術的長足進步，超限高層建筑出現在我國絕大多數城市的開發建設中，而這其中必須引起充分重視的問題之一是它的抗震性能是否能夠滿足結構安全的要求。

1 工程概況

該項目位于泰州市中心 ， 總建筑面積 238 802.23 ㎡，由兩棟超高層辦公塔樓（平面鏡像關系）和商業裙房組成。超高層塔樓地上 53 層（1～4F 層高 4.5，5F 以上標準層層高 3.4 m），地下 3 層，總結構高度 186.15 m，平面尺寸57.8m×33.1m 高寬比 5.61，核心筒高寬比 16.15。

結構體系 ：采用鋼筋混凝土框架 - 核心筒結構，樓蓋形式為鋼筋混凝土主次梁樓蓋，核心筒與外框架組成雙重抗側體系。

主要構件：外框柱截面尺寸首層 1500mm×1900mm，2F以上逐次減小，至頂部樓層收至 600mm×800mm;核心筒外墻厚度由首層 1 000 mm 逐次減小，至頂部樓層收至 400 mm;柱墻混凝土強度由底部 C60（1 至 20F） 逐次變化至頂部樓層C40 ;標準層框架梁截面 400mm×600mm（內框梁）和 400mm×700mm（外框梁）。

超限判定情況 ：（1）高度超限 ：結構高度 186.15? m大于 7 度區 B 級高度限值 180 m 。2）扭轉不規則 ：考慮偶然偏心的扭轉位移比為 1.38，大于規范判定值 1.2。3）樓板局部不連續 ：2層樓面開洞面積約 40.5%，大于規范判定值 30%，同時形成3根穿層框架柱，為局部不規則。

2 結構抗震性能目標

根據該項目的場地條件、結構特點和社會影響，初步擬定本項目的抗震性能目標為 D 級。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》3.11.1 和 3.11.2 的規定，D 級性能目標表示在多遇地震（小震）下結構基本無損壞，不需修理即可繼續使用;在設防烈度地震（中震）下結構為中度損壞，在修復或加固后可繼續使用 ;在罕遇地震（大震）下結構出現比較嚴重的損壞，但不出現倒塌，需排險大修。

3 結構整體抗震分析與設計

3.1 多遇地震下的彈性分析

該項目基礎分析程序采用北京盈建科軟件有限責任公司編制的基礎設計軟件 YJK-F（2.0.1 版），同時采用 Etabs（2018 版）程序進行計算對比分析，2種模型的計算結果接近，整體控制指標如下 ：第一、二振型均為平動且周期較為接近，Tt/T1 均小于 0.85。樓層質量分布除避難層和頂層活載較大，形成一定突變外，其他樓層質量分布均勻，該層樓層質量與相鄰下一層質量比均小于規范限值 1.50。2個方向的層間位移角分別為 1/901 和 1/755， 均為地震工況控制，且小于規范限制（1/659）。層間側移剛度比值和樓層抗剪承載力比值均在規范限制范圍內，無軟弱層和薄弱層。地上各樓層在 X 和 Y 方向的剪重比 1.27% 和 1.39% 均滿足規范要求（>1.2%）。2個方向的樓層位移曲線均為彎剪型，曲線光滑無拐角，側向剛度變化均勻。底部樓層2個方向框架柱承擔的傾覆力矩分別為 35.5% 和 29.5%。各層框架柱剪力占底層總剪力的百分比 ：X 向 1～38 層均大于 0.2，不需調整，39F 及以上需進行放大，Y 向 16～36 層均大于0.2，不需調整，15 層以下和 37 層以上均需要放大，放大系數按規范要求取值，以滿足外框架作為第二道抗震防線的要求。彈性時程分析結果表明，變形曲線不存在突變，無薄弱層。7 條波的彈性時程平均樓層剪力值，除高區局部樓層需要放大外，其余樓層均小于規范反應譜的計算值。

3.2 設防烈度地震下的抗震性能驗算

3.2.1 計算方法與參數

設防地震下的結構抗震性能化分析設計采用等效彈性算法，水平地震影響系數最大值為 0.23，阻尼比為 0.05，周期折減系數為 0.9，連梁剛度折減系數為 0.5，其它參數與計算要求均按規范要求。

3.2.2 分析結果

中震下基底剪力基本是小震剪力的 2.6～2.7 倍。關鍵構件 ：底部加強區墻肢在中震彈性工況下的墻肢水平配筋率均在 0.2%～0.67% 之間，底部 5 層的外框柱箍筋均為構造配筋，滿足抗剪彈性性能目標 ;二者在中震不屈服工況下的驗算結果也表明達到了抗彎不屈的要求。

普通豎向構件 ：剪力墻的水平配筋率約 0.20～0.35%，框架柱的箍筋配筋率均為構造配筋，滿足抗剪不屈服 ;剪力墻端柱和外框架柱的計算配筋與小震小接近，且基本為構造配筋，滿足抗彎不屈服。

耗能構件 ：中震不屈服工況下，核心筒擱置樓面次梁的連梁和外框架梁均未出現抗剪超筋，滿足中震抗剪不屈服。

底部加強區核心筒墻肢拉應力驗算 ：在中震不屈服荷載作用下，底部加強區核心筒南、北側墻肢均出現拉應力（底層拉應力最大），且部分墻肢拉應力大于混凝土強度標準值 ftk，根據當地規定，對于拉應力超過 ftk 的墻肢均設置型鋼，含鋼率為 1%～2%，以避免核心筒剪力墻在中震作用下出現受拉破壞。

3.3 罕遇地震下的彈塑性動力時程分析

3.3.1 計算軟件與參數

采用 MIDAS BUILDING 軟件對該結構進行罕遇地震下的彈塑性時程分析。水平地震影響系數最大值為 0.5，阻尼比為 0.07，周期不折減，連梁剛度折減系數為 0.3，其他參數與計算要求均按規范要求。

3.3.2 分析結果

各組地震波計算完成后，結構處于穩定狀態，滿足“大震不倒”的設防目標。結構在大震彈塑性時程工況下 X、Y 兩個主方向基底剪力平均值分別為彈性結果下的 64.1% 和 67.8%，表示結構整體上進入了中度的塑性。結構在 X、Y 兩個方向位移角分別為 1/112 和 1/121，均滿足小于 1/100 的要求，最大層間位移角不大于 0.9 倍塑性變形限值，未發生嚴重破壞。結構整體非彈性耗能，為結構整體耗能的 20～25%，說明整體結構具備較好的耗能機制。底部剪力墻混凝土受壓應變在 2 級以內，延性系數絕大部分小于 1，混凝土未壓潰，鋼筋應變等級在 1 級以內，受拉未屈服。上部剪力墻個別構件剪切應變等級達到 5 級，剪力墻進入開裂狀態或屈服狀態，進入輕度至中度塑性。連梁中度損害，部分比較嚴重損壞，整體上進入中度至嚴重的塑性，在地震中起到了良好的耗能作用。大部分框架柱延性系數小于 1，個別構件發生輕度損壞，說明框架柱進入輕微的塑性?？蚣芰貉有韵禂?D/D2 大部分在 0.8～2 之間，部分框架梁延性系數超過了 2.0，進入塑性程度較高，框架梁部分構件中度損壞。底部五層外框柱及開洞躍層柱絕大部分延性系數小于1，其中塔樓范圍內框架柱全處于彈性，延性系數均在小于1，說明底部外框柱及躍層柱在地震作用下處于輕微塑性狀態，抗震性能良好。剪力墻收進層的柱延性系數均小于 1，處于彈性范圍內。收進層剪力墻屈服等級絕大部分處于 2 級范圍內，只有個別與連梁連接處屈服等級超過了 5 級，延性系數超過了 1.0，說明剪力墻收進處結構具有良好的抗震性能。動力彈塑性時程分析表明在地震波作用下，核心筒壓彎部分屈服，不發生混凝土壓潰，剪力墻體剪切變形個別構件破壞，剪力墻底部局部進入塑性 ;框架柱基本處于彈性階段，具有較好的二道防線;框架梁及連梁端部形成充分的塑性鉸，實現了耗能機制。結構具有良好抗震性能，能實現既定的抗震性能目標。

3.4 特殊構件分析

3.4.1 穿層柱分析

入口大堂位置形成跨越二層的穿層柱（3 根），全高9.0 m，通過線性屈曲分析，得出其計算長度系數均小于《混凝土結構設計規范》（GB 50010）規定的 1.25，構件設計時按規范取值偏于安全。經計算分析，小震和中震工況下穿中國新技術新產品 2020 NO.5（下） 工 程 技 術層柱均達到了抗彎彈性和抗剪彈性 ;大震工況下抗彎和抗剪均不屈服。

3.4.2 二層樓板應力分析

除局部核心筒墻體位置及平面凹角區域應力集中外，小震作用下樓板主拉應力均遠小于 C30 混凝土的抗拉強度設計設計值 ft=1.43 N/mm2，滿足小震彈性性能目標 ;在中震不屈服荷載工況下樓梯間對應的核心筒區域板的最大主拉應力約為 1.8 N/mm2 ，小于樓板混凝土抗拉強度標準值ftk=2.01N/mm2。滿足中震不屈服的性能目標。中震下樓板主應力如圖 1 所示。

4 主要抗震加強措施

4.1 增強核心筒墻體延性的措施

控制墻肢軸壓力和剪力水平，滿足大震截面抗剪要求，確保墻肢在大震下的延性且不發生剪切破壞 [1] ;核心筒角部和墻肢端部增加配筋，在邊緣構件內盡量使用箍筋以約束混凝土，對中震作用下拉應力較大的墻肢，增加鋼骨共同承擔拉力，保證墻肢延性 ;在關鍵區域的連梁中布置對角斜筋，增強連梁延性。

4.2 增強外框架延性的措施

框架柱軸壓比控制在規范建議的限值 0.75 以內。對于剪跨比小于 2 的柱采用箍筋全高加密，并按規范適當提高體積配箍率?？紤]角柱對塔樓抗側剛度貢獻較大，且處于受力不利的位置，因此，加強角柱的配筋，提高角柱的抗震延性。增強抗扭剛度 ：調整抗側力結構的布置，盡量使結構兩方向剛度布置均勻，加強外圍構件的剛度，增大結構的抗扭剛度。針對室內外高差 1.2 m 的情況，設計中通過在高差處框架梁頂部加腋的措施，減少錯層的不利影響。針對穿層墻柱、大開洞、弱連接的加強措施有3點。1）增大二層入口大堂等處的穿層柱柱頂梁截面尺寸，增加上下樓蓋厚度對柱的約束。穿層墻柱在計算上人工復核柱計算長度系數，進行穩定屈曲驗算，同時提高穿層柱所承擔的剪力值（將穿層柱所在樓層的最大柱剪力值附加給每根穿層柱），其他按照前述性能要求進行設計 。2）構造上，柱配筋加強，箍筋全長加密，墻分布筋配筋率加強，邊緣構件配筋加強，箍筋全長加密。對于大開洞和弱連接部分，加大大開洞周邊及上一層相關位置、弱連接區域的樓板厚度，雙層雙向配筋 。3）在計算上補充地震作用下樓板應力計算。

5 結論

該文討論了采用 YJK、Etabs 程序對整體結構進行了抗震、抗風驗算，各項分析計算結果基本吻合，能滿足規范要求。小震變形曲線不存在突變，無薄弱層 ;中震計算表明，在設防地震作用下，各類構件均滿足預定的性能目標。通過罕遇地震動力彈塑性分析，表明結構整體進入了中度塑性，未發生嚴重破壞，具有較好的耗能機制和二道防線作用，實現了既定的抗震性能目標。綜合以上分析，該工程抗震設計可達到預期的性能目標，同時也滿足建筑的使用要求，結構方案是安全可行的。

參考文獻

[1] 李光明 ， 吳宏磊 ， 楊揚 . 浦發銀行辦公樓超限高層結構設計 [J]. 結構工程師 ，2019，35（3）：1-5.