某超限高層建筑的抗震性能化設計

申士軍

摘要：本文主要介紹某超限高層建筑的抗震性能化設計。根據工程實際情況，選取合適的性能化目標并進行計算分析。通過分析，本工程結構抗震設計可滿足抗震性能目標及規范要求，為類似項目的設計工作提供參考。

關鍵詞：超限高層;抗震;性能化設計

1、工程概況

本工程功能為辦公樓。塔樓結構總高度142.7米，地下2層，地上37層。2層以下為商業區，3～13層為辦公標準層，14層為避難層，15～26層為辦公標準層，27層為第二避難層層，28～37層為辦公標準層，屋面以上為機房層。

2、設計條件

標準設防，7度，0.10g，設計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅲ～Ⅳ類，水平地震影響系數最大值為0.08，差值法確定特征周期值為0.50s。

3、上部結構設計

采用現澆混凝土框架-核心筒結構體系。標準層結構布置如圖1。

4、結構超限類別及程度

本工程存在以下方面的結構不規則內容：1）結構大屋面高度超過A級高度鋼筋混凝土高層建筑的最大適用高度，高度超限。2）在考慮偶然偏心的規定水平地震力作用下，樓層豎向構件的最大水平位移和層間位移，B級高度高層建筑不宜大于該層平均值的1.2，不應大于該層平均值的1.4倍，屬平面不規則的類型。3）1～2層偏心率大于0.15， 偏心布置，與2）條合計為一條不規則。4）首層有2根穿層柱。

5、“基于性能的抗震設計”分析及設計

本工程為B級高度的高層建筑，一般不規則類型為2項，屬于超限結構。為保證設計安全經濟，除按照規范規定的要求及目標進行計算和設計外，還應采取結構抗震性能化設計的方法。

5.1構件的性能設計目標

按《高規》[1]第3.11節進行性能設計，考慮抗震設防類別、設防烈度、場地條件、結構的特殊性、建造費用、震后損失和修復難易程度等各項因素，確定結構抗震性能目標為C級。在多遇地震下，按性能水準1進行設計;在設防烈度地震下，按性能水準3進行設計，其中底部加強部位的剪力墻、邊框柱受剪承載力提高至中震彈性進行設計;在預估的罕遇地震下，按性能水準5進行設計，其底部加強部位的剪力墻、邊框柱應滿足及普通豎向構件均應滿足最小抗剪截面要求。

在設防烈度地震下，關鍵構件的抗震正截面承載力應符合《高規》式（3.11.3-2）的規定。

（按中震不屈服設計）

在設防烈度地震下，關鍵構件、普通豎向構件抗震受剪承載力應符合《高規》式（3.11.3-1）的規定。

（受剪承載力按中震彈性設計）

在設防烈度地震作用下，部分耗能構件抗彎進入屈服，抗震受剪承載力應符合《高規》式（3.11.3-2）;

（按中震不屈服設計）

在預估的罕遇地震作用下，關鍵構件、普通豎向構件以及耗能構件的受剪截面應符合《高規》式（3.11.3-4）;

（按大震不屈服最小截面設計）

從抗震安全性和經濟合理兩方面權衡考慮，提出以下幾條性能目標，具體詳見表5.1。

5.2穿層柱的設計

5.4.1 小震作用下兩種計算模型的包絡設計

根據規范要求，本工程在計算小震作用時分別采用了SATWE和MIDAS BUILDING兩種程序對辦公主樓進行整體計算分析。對于穿層柱的構件設計，其配筋值取兩種模型計算結果的包絡值進行設計。

5.4.2 中震、大震下穿層柱的設計

普通框架柱應滿足中震下抗彎不屈服、抗剪彈性，在大震作用下應滿足最小抗剪截面的要求。因穿層柱在框架柱中情況特殊，且又位于結構的底部加強區，應對其提出更高的要求，其抗彎承載力、抗剪承載力應滿足中震彈性、大震下不屈服。

6大震下靜力彈塑性分析（PUSHOVER）

為與“大震不倒”的第三水準抗震設防目標相對應，本工程對建筑結構進行了第二階段抗震設計，即罕遇地震作用下的結構彈塑性變形驗算。本工程采用中國建筑科學研究院編制的EPDA&PUSH進行分析。

通過X向、Y向推覆分析得到樓層層間位移角。在罕遇地震時，各樓層主要的層間位移角：X向倒三角加載方式下主要分布在1/105左右，X向矩形加載方式下主要分布在1/104左右;Y向倒三角加載方式下主要分布在1/100左右，Y向矩形加載方式下主要分布在1/103左右，均滿足規范1/100的限值要求。

另外進行了推覆過程損傷分析。對應多遇地震，結構保持彈性，沒有出現塑性鉸。第一批少量的塑性鉸在總水平推覆力接近設防烈度地震的基底剪力時出現在底部加強區部位的連梁上;基底剪力達到設防烈度后，塑性鉸向上逐漸發展至其余各層連梁;隨著水平推覆力的不斷增大，底部加強區的部分剪力墻上開始出現受拉破壞，當推覆力達到相當于罕遇地震時，剪力墻出現受拉裂縫的范圍出現在底部加強部位及結構頂部的若干層。

上述塑性鉸的形成和發展過程說明：連梁作為第一道抗震防線首先出現塑性鉸，消耗能量，達到了預期目標。隨著推覆荷載的增加，塑性鉸往上發展，剪力墻也開始開裂，整個推覆過程情況良好。在預估的罕遇地震時，其剪力墻連梁、墻肢組成的多道抗震防線能夠保持有效的協同工作，結構有良好的抗震能力。

7、結語

本文根據本工程的超限情況，有針對性地提出了高于規范的設計要求，并提出性能化抗震設計指標，對關鍵構件進行中震下復核，最后做了罕遇地震下的彈塑性分析。這些工作的目的在于保證結構在高于設防烈度的地震作用下仍具有一定的安全性，并做到經濟和合理。

參考文獻

[1]高層建筑混凝土結構技術規程（JGJ3-2010）[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.