淺談超限高層住宅樓結構分析過程

張 錕（山西晉設拓凡建筑設計咨詢有限公司，山西 太原 030000）

超限工程設計簡要步驟：①判斷建筑超限；②確定抗震性能目標；③彈性分析，CQC計算，需要采用兩種不同的力學模型軟件計算；④彈塑性分析，包括動力彈塑性分析和靜力推覆分析（PUSHOVER）；⑤根據分析結果進行構件配筋、截面布置調整，確保結構的性能；⑥對調整后的結構進行再次分析，如果結果良好則可開始編寫報告。

下面以某超高層住宅樓為例具體介紹，此項目為剪力墻結構，地下三層，地上四十層，總高度120.15m，存在三項超限：高度120.15m＞100m,B級高度高層建筑；凹凸不規則：凹進尺寸占相應邊長42.2%＞30%；高寬比：8.0＞7。

結合項目情況，根據《山西省超限高層建筑工程抗震設防界定規定》（晉建質字[2018]272號），抗震設防性能目標定為C級，目標進行細化見表1。

表1 抗震性能目標

1 整體彈性分析

1.1 小震彈性計算

多遇地震作用下的計算采用了兩個不同力學模型的結構分析程序計算,根據結構靜力與彈性動力計算結果對數據進行比較分析。使用程序分別為：①北京盈建科軟件有限責任公司編制盈建科1.9.1.0版本；②北京MIDAS公司的MIDAS building軟件。兩個軟件的基本參數應一致，各宏觀計算指標都滿足規范要求，并且兩軟件計算結果相近，則表示構件截面取值合理，結構體系選擇恰當。其中，需要進行對比的結果有周期、平動比例、扭轉比例、扭轉周期比、結構總質量、有效質量參與系數、最大層間位移、最大層間位移角、最大層間位移比、最小剪重比、剛重比等。兩軟件計算結果偏差在5%以內，則表示計算結果相近。計算結果見表2、表3。

1.2 中大震等效彈性計算分析

1.2.1 計算參數

風荷載計算信息：不計算風荷載；地震信息結構阻尼比：6；計算控制信息，連梁剛度折減系數（地震）：0.4；周期折減系數：1；考慮雙向地震，不考慮偶然偏心；剪力墻抗震等級：4級。考慮性能設計：高規中性能水準：3。抗震等級：4級。底部加強區（關鍵構件）剪力墻抗剪彈性，非底部加強區（普通豎向構件）剪力墻抗剪不屈服。剪力墻中震抗彎不屈服，如果配筋大可以插入型鋼或增大暗柱截面，連梁抗剪不屈服。設計結果中不考慮位移。

表2 小震計算周期對比

表3 小震計算位移對比

在中震彈性的計算過程中，材料強度取值為設計值，雖然不考慮內力調整系數，但對荷載分項系數進行了保留，這樣就保留了結構的安全度和可靠度。

中震不屈服設計，屬于承載力極限狀態設計，簡單的話說就是使得構件在中震作用下達到彈性極限狀態，所以在參數取值上，不計算風荷載，取消結構計算的內力調整系數，荷載組合的分項系數取1.0，承載力抗震調整系數取1.0，周期折減系數取1.0，地震作用不考慮偶然偏心，并且材料強度取為標準值。

1.2.2 計算結果

剪力墻中震彈性抗剪承載力驗算是否滿足要求，剪力墻中震不屈服下抗彎驗算是否滿足要求，如少量墻體暗柱配筋面積大于最大配筋率，采用插入型鋼或增大暗柱截面等措施，其余墻體抗彎均滿足要求，以此作為截面配筋的準則。

連梁中震抗剪不屈服驗算，如少量連梁截面不滿足抗剪截面條件，將損壞嚴重的連梁增設兩道交叉斜向鋼筋或交叉暗撐，以提高連梁的斜截面受彎承載力。

中震墻肢抗拉驗算（不屈服驗算）。根據《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》(建質[2015]67號)第四章第十二條第四款“中震時出現小偏心受拉的混凝土構件應采用《高層混凝土結構技術規程》中規定的特一級構造,中震時雙向水平地震作用下墻肢全截面由軸向力產生的平均名義拉應力超過混凝土抗拉強度標準值時宜設置型鋼承擔拉力,平均名義拉應力不宜超過兩倍混凝土抗拉強度標準值(可按彈性模量換算考慮型鋼和鋼筋的作用)。工程計算結果表明，中震下底部樓座出現拉應力，根據墻肢出現拉應力大小，施工圖設計時在拉應力超過1.0ftk的墻肢中設置型鋼，且型鋼承擔中震作用下產生的拉力。最小軸力計算采用的荷載組合公式為：1.0（D+0.5L）-1.0E。受拉墻肢約束邊緣構件配筋率為2%，受拉剪力墻豎向分布筋配筋率為1%。

底部加強區剪力墻大震抗剪不屈服驗算，非加強區剪力墻截面控制條件驗算，根據驗算結果，通過加厚底部加強區墻體和加大墻體配筋及增設型鋼，剪力墻截面能滿足大震的性能目標要求。

2 結構整體彈塑性時程分析

選取地震波，首先導入盈建科軟件最新地震波庫，為了保證分析結果的準確性，我們選擇的地震波的特征周期與該工程要盡量接近，根據特征周期比分析工程特征周期加減0.05進行第一次篩選，將選出的地震波導入備選列表。按照地震波選取的三要素（頻譜特性，有效峰值和持續時間），選取5條天然波和2條人工波，軟件會根據設置要求對備選地震波進行組合，我們需要在組合列表中選擇一組合適的地震波，被選取的地震波組合要符合每條地震波底部剪力不小于反應譜法結果的65%，平均底部剪力不小于等效大震反應譜法結果的80%，結構反映特征及變化規律如基底剪力和層間位移角等指標與CQC結果比較接近。

根據分析結果，從地震波組合中選用3組基底剪力與位移結果均較大的地震波進行罕遇地震彈塑性分析計算（2組天然波+1組人工波）。根據各條地震波彈塑性計算結果分析各構件破壞及損傷程度，并根據計算結果調整計算模型，以滿足設定的性能目標。

3 超限評審的時間

結合本工程經驗，對超限評審各階段時間預估：①預審報告時間，從大震開始3～4周，其中編寫報告1～2周；②預審時間，3～4天；③改報告時間，最少15～30天（根據意見多少）；④報建設廳，在政務辦事大廳或者工程質量安全監管處；⑤報完審批時間，報完（專家會后）10個工作日左右。

4 結語

超限工程的設計，既是機遇也是挑戰，比普通工程增加了很多復雜的計算過程、分析和難度，分析的過程也是一個歷練的過程，能夠對結構概念及設計規范有更深入的認識。