高烈度地區超限高層設計要點案例分析

王改玲

（蘭州現代職業學院城市建設學院，甘肅 蘭州730200）

現代城市化建設規模不斷擴大，人口數量不斷增長使得城市空間越發緊張，建筑設計逐漸向高層建筑形式靠攏，但高層建筑由于自重較大且高度較高，其結構的穩定性與抗震性也必須要不斷進行改進，如此才能夠確保建筑的安全性。近年來，強震嚴重威脅了人們生存，尤其在工程結構高度與跨度不斷增加的新時代，一旦發生地震，勢必會引起嚴重的損傷。所以在工程設計中，需要高度重視抗震性能的設計，提高工程建筑抗震的能力，以免發生地震時，出現嚴重的損失。

1 項目概況

本工程項目為超限高層設計，主要包括A、B、C 座3 幢塔樓、地下車庫，建筑項目主體部分地下部分包括地下室與地下車庫，層數設定為兩層，地上部分中A 座和B 座最高層均設計為30 層、C 座則為18 層；A 與B 座的地下室相通，C 座的地下室和A、B 兩座地下室利用伸縮縫隔斷。A、B 座地下一層設計為車庫，地下二層則為平戰結合式人防地下室，地上建筑部分一、二層為商用店鋪設計，三層及以上為居民住宅，建筑主體高度為90.8 米，內外的高差是0.6 米；C 座的地下一層是設備用房與自行車庫、地下二層是人防、地上都是住宅，高度是52.7 米m，室內外的高差在0.45 米。

2 結構計算

通過PKPM2010 版系列軟件SATWE 及MIDAS-building 程序進行結構計算，考慮耦聯作用及偶然偏心的影響作用。設計中采用三水準、兩階段對主體結構進行詳細的抗震計算分析；

第一，多遇地震作用下，采用了兩種空間分析軟件對主體結構進行了整體分析計算比較，從SATWE 與MIDAS-building的分析結果比較看，兩個分析軟件的計算結果的周期、平動扭轉均比較接近，第一、第二周期為平動周期，第三周期為扭轉周期，均能滿足周期比要求[1]。

第二，本工程屬于8 度（0.3g）抗震設防的B 級高度丙類高層建筑，對主體結構進行了設防烈度地震下的抗剪彈性計和抗彎不屈服計算分析，罕遇地震作用下的彈塑性靜力分析。

3 抗震性能設計

為分析高烈度區域超限高層結構動力的特性，同時給結構減震的設計、地震波選擇與分析結構的抗震性能提供參考依據，構建三維精細桿系與框架梁單元的模擬。這種模型使用ETABS 的非線性軟件進行建立，其柱與框架梁使用空間的桿系單元進行模擬，而剪力墻使用殼元進行模擬，工程樓板使用板單元進行模擬[2]。

3.1 結構構件性能目標

為了保證結構滿足建筑所處位置高烈度的抗震性標準，需要針對超限高層結構中不同結構件的性能進行優化，對其每個細節進行科學的調整，并將其構件抗震性設定為：

第一，在多遇地震狀態下，必須要保證所有構件均依據相關規范標準進行彈性設計；

第二，如考慮遇到罕遇地震情況下，則建筑底部必須要保證剪力墻受剪截面設計與可控制條件相統一。

3.2 計算軟件與計算方法

（1）為了確保超限高層建筑結構能夠具備防烈度和罕遇地震的性能，需要以《高層建筑混凝土技術規程》中的標準，采取相應措施進行構件的改進驗算，主要針對其在不同情況下的承載力計算，目前通常采用等效彈性的方法進行其抗震性計算。

（2）計算軟件主要采用SATWE，在進行計算前必須要進行相關參數的手動調整，同時要針對對不同性能要求采取分別計算的方式進行驗算。

（3）關于構件承載力驗算主要針對設防烈度作用下構件承載力彈性設計、屈服承載力設計、罕遇地震作用下受剪截面控制條件設計結果進行計算。

（4）驗算中所采用的參數主要選用多雨地震反應譜法來進行相同模型參數的計算，并在設防烈度作用下屈服承載力設計時材料強度等級等全部選用標準值，計算時對于程序設定主要選定設防烈度和罕遇地震作用下相關選項，并進行計算。

例如：本文工程項目中對于外圍框架柱的設計中，其剪力墻筒體外圍框架設計為矩形鋼管混凝土柱，其與鋼筋混凝土核心筒共同承載結構所帶來的的重力和側向力，外圍框架的自身平面設計為鋼筋框架，并利用鋼筋框架實現外圍框架與核心筒鋼梁的連接，而核心筒鉸接則是外框架剛接。外圍框架是建筑防震的第二重保險，其承載的地震剪力必須要嚴格的按照項目所在地區地質情況和設計抗震性要求進行相應的設計和調整計算。在設計中，需要按照相關規范和標準對多遇地震作用下各框架所承擔的建立進行準確計算和精確的改進。

計算公式如下：

各層框架梁則也需要按照相關公式進行計算，計算公式為：

并按照公式計算結果來進行調整。

而對于矩形鋼管混凝土短柱的軸壓比設定需要保證其控制在0.7 以內，必須要注意的是對混凝土承載系數的限制，其必須要保證鋼管混凝土柱的延性滿足工程項目要求。梁柱鋼節點需要采用抗震加強節點，主要運用剪力放大系數、彎矩放大系數來進行強節點弱桿件、強柱弱梁和強剪弱彎抗震設計。而防地震作用下框架柱則必須要全部進行彈性設計，通過計算分析可以得出，所有的框架柱都能夠達到性能標準的要求。強烈度下的罕遇地震作用非線性時程分析如圖1、2 所示：

圖1 X 向地震作用樓層最大層間位移角

圖2 Y 向地震作用樓層最大層間位移角

由此可以得出，外圍鋼管混凝土框架柱僅有少量受彎屈服，進入塑性階段，但仍然有著一定的承載力，起到了對抗震的防線作用。

3.3 設防烈度下的構件承載力計算

（1）在進行設防烈度作用下底部加強區剪力墻抗剪彈性計算過程中，對于墻體水平鋼筋在多遇地震作用下所獲得的計算結果值呈現出一定增加量，但其墻體抗剪截面和配筋所體現出的計算值則符合承載力彈性設計的標準值。因此，設計方案進行改進時可以依據抗剪彈性來進行處理。

（2）設防烈度作用下底部加強區剪力墻抗彎不屈服計算過程中，對于邊緣構件配筋的約束則與多遇地震作用下計算結果產生了不同的結果，整體有所增加，但其約束邊緣構件配筋則可以保證承載力抗彎不屈服符合相關設計標準，表明施工圖可以按抗彎不屈服進行設計。

（3）設防烈度作用下底部加強區剪力墻拉應力水平驗算：

X 方向設防烈度作用下中震不屈服首層剪力墻拉應力水平驗算（鋼筋采用HRB500，fyk=500N/mm2）：

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Y 方向設防烈度作用下中震不屈服首層剪力墻拉應力水平驗算（鋼筋采用HRB500，fyk=500N/mm2）：

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4 超限設計措施加強措施

第一，對局部開大洞位置，且梁箍筋全長需要加密與設置抗扭縱筋，樓板口角部位集中配置斜向鋼筋等加強措施。

第二，準確計算與控制構件豎向的軸壓比，比規范要求的最大軸壓比降低0.05。

第三，對于樓梯間一字形剪力墻采取梯板與梯梁鋼筋錨入墻體且整體澆注的措施以增強平面外拉結。

第四，地下部分屬超長結構，為解決超長混凝土結構中的溫度應力引起的混凝土收縮及主樓與車庫之間的不均勻沉降，設置后澆帶三道，溫度應力后澆帶在兩側結構施工完成后兩個月方可澆筑，沉降后澆帶在主樓施工完成后方可澆筑，鋼筋采用塔接接頭。

5 結論

高層建筑結構是當下民用建筑中的一種重要形式，如果因為地震受到破壞，會發生巨大損失。尤其在高烈度區域高層建筑使用常規的設計方法難度比較大，結構總體的經濟性比較差、所以需要深入分析高烈度區域設計的理念，提高結構抗震性能。