超高層建筑結構抗震性能化設計研究

王 旭

（中鐵房地產集團北方有限公司 北京 100066）

1 引言

隨著經濟的快速發展和土地資源的緊缺，在人口密集型城市建設超高層結構具有可行性和必要性[1]。保證超高層結構的抗震性能安全尤為重要。本文通過超高層工程實例，結合基礎結構設計及抗震性能分析，在超高且存在平面及豎向不規則情況下提出適宜的結構抗震性能化設計目標。

2 項目概況

該項目位于重慶市北濱路，總建筑面積約為27.7萬m2，其中5＃公寓樓為本次重點研究超高層建筑。建筑結構高度145.75 m，地上三十七層，在11層和25層處設兩個避難層；因建筑功能需要，在35層和36層處單獨設置兩個設備夾層；地下室三層。5＃公寓樓立面效果如圖1所示。

圖1 5＃公寓立面效果圖

（1）主體概況

本建筑采用框架剪力墻結構，B級高度，水平荷載和地震作用為設計主要控制因素。由于建筑需要提高客廳及臥室的通透感，建筑物角部不允許設置結構柱。標準層建筑平面布置如圖2所示。結構布置在滿足建筑使用功能的同時，盡量做到簡單規則、受力明確、經濟合理，剪力墻盡量布置在樓電梯間及建筑周邊，如圖3所示。結構的X向寬度為28.4 m，Y向寬度為24.4 m；X向高寬比5.13，Y向高寬比5.97。

圖2 標準層建筑平面布置

圖3 標準層結構構件布置

（2）結構設計主要參數

根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）（2016年版）和《建筑抗震設防分類標準》等國家現行相關規范，結構設計所采用的設計基準期為50年，建筑結構安全等級為二級，抗震設防烈度6度，地震動峰值加速度0.05 g，設計地震分組第一組，場地類別Ⅲ類，屬抗震不利地段，特征周期0.45 s，彈性分析阻尼比0.05?？蚣芗凹袅拐鸬燃墳槎?，抗震設防類別為丙類。風荷載作用下層間位移角限值1／800，多遇地震作用下層間位移角限值1／800，罕遇地震作用下層間位移角限值1／100。

（3）荷載作用

本工程多遇地震、設防地震、罕遇地震的地震動參數均按規范建議值采用?；撅L壓0.44 kN／m2。

3 超限情況

（1）超限判別

本建筑在偶然偏心的規定水平力作用下，層間位移比為1.22，大于1.2，判定本工程為扭轉不規則；38層因建筑功能所需，客廳區域為兩層挑空，導致有效樓板寬度小于50%，造成樓板局部不連續；避難層11層、25層因建筑功能所需，存在穿層柱，造成局部不規則。

（2）超限措施

根據以上超規超限等復雜情況，綜合考慮類似工程中的相關資料[1－2]，采取加強剪力墻及底部加強區框架柱、加強穿層柱、加厚不連續樓板且增強配筋等措施。

4 抗震性能目標

本工程抗震設計在滿足國家、地方規范外，根據性能化抗震設計的概念進行設計。根據《建筑工程抗震性態設計通則》和《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）第3.11.1條文說明進行抗震性能評估，并同時綜合考慮抗震設防類別、設防烈度、場地條件、結構特殊性、建造費用、震后損失和修復難易程度等因素[3－4]。

鑒于擬建建筑為B級高度建筑，同時結構較為規則，因此其抗震性能目標選用D級。根據D級性能目標要求，結構主要受力構件性能目標如表1所示。

表1 抗震性能目標

5 多遇地震計算分析

多遇地震計算采用振型分解反應譜法，不是本文研究重點，只做簡要說明。本工程采用盈建科和ETABS兩種分析軟件計算多遇地震作用，結果互為校核?？紤]偶然偏心及雙向地震作用，CQC法進行振型組合，兩者計算結果較為接近，分布規律相同。第一振型與第二振型為平動，且周期較為接近，約為4.5 s；第三振型為扭轉振型。各計算結果數值上滿足規范要求，驗證了結構的合理性和正確性[5－7]。

6 設防地震計算分析

采用盈建科軟件對關鍵構件，如底部加強區及其上一層剪力墻、避難層穿層墻驗算中震抗剪承載力彈性及正截面承載力不屈服的性能目標。

（1）中震等效彈性層間位移角驗算

中震等效彈性計算的層間位移角X方向為1／600，Y 方向為 1／621。計算結果表明，中震條件下結構的最大層間位移角滿足1／200的規范限值要求。

（2）中震彈性構件性能目標驗算

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》第三章相關規定，采用等效彈性方法對構件的性能目標進行驗算。底部加強區（以層高最大的1層為例）和11層避難層關鍵構件中震等效彈性分析計算結果如圖4、圖5所示。其計算結果表明關鍵結構構件能夠滿足性能水準要求。

圖4 底部加強區（1層）關鍵構件中震性能目標計算結果

圖5 避難層11層關鍵構件中震性能目標計算結果

7 罕遇地震計算分析

（1）罕遇地震等效彈性層間位移角及整體穩定驗算

大震等效彈性計算的層間位移角X方向為1／250（20 層），Y 方向為 1／239（19 層）。計算結果表明，大震下結構的最大層間位移角滿足不大于1 ／100的規范限值要求[8－10]。

大震等效彈性計算的抗傾覆穩定結果如表2所示。

表2 大震等效彈性計算的抗傾覆穩定計算結果

可見，結構大震下的整體穩定滿足要求，且幾乎無零應力區。

（2）罕遇地震不屈服目標驗算

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》第三章相關規定，采用等效彈性方法對構件的性能目標進行驗算。底部加強區（以層高最大的1層為例）和11層避難層剪力墻的大震等效彈性分析計算結果如圖6、圖7所示。

圖6 底部加強區（1F）關鍵構件大震性能目標計算結果

圖7 避難層11層關鍵構件大震性能目標計算結果

由關鍵構件按大震不屈服計算的配筋結果可知，大部分墻體水平鋼筋為構造配筋。一層樓電梯間區域的剪力墻豎向鋼筋計算結果較大。經查看構件信息發現該部位墻肢受拉，施工圖設計時需要對其邊緣構件縱筋和墻身豎向分布筋進行加強。

（3）罕遇地震作用下動力彈塑性分析

計算結構在罕遇地震作用下的動力響應，研究結構在強烈地震作用下的變形形態、構件的塑性及損傷情況，以及整體結構的彈塑性行為。

按照規范要求從太平洋工程地震研究中心（PEER）的地震波庫中選取5組天然波及YJK軟件生成的2組人工波，并按最大基底剪力的原則選出反應最大的2組天然波和1組人工波進行大震彈塑性計算。

本工程選用天然波 1（Iwate＿Japan＿NO5619）和天然波 2（Chuetsu-oki＿Japan＿NO4855）及人工波 1，采用PKPM-SAUSAGE軟件進行罕遇地震作用下的彈塑性時程分析，峰值加速度取規范值144 cm／s2。各組地震波均按地震主方向為X向和Y向分別進行加載，主方向與次方向的加速度峰值比值為1∶0.85。

結構在3條地震波作用下的彈塑性分析整體計算結果見表3～表5。

表3 YJK模型與SAUSAGE模型周期與質量對比

可見兩軟件計算結果中周期比較接近，就總質量而言，YJK模型不包括鋼筋質量，而SAUSAGE模型包括，故SAUSAGE模型總質量大于YJK模型。

表4 各組地震波作用下結構最大頂點位移及最大層間位移角

為判斷模型的合理性，列出YJK模型與SAUSAGE模型周期與質量對比，見表3。

由表4可知，各條波X向及Y向層間位移角均滿足規范1／100的彈塑性層間位移角限值要求。

表5 結構大震彈塑性與彈性最大基底剪力

由表5可知，罕遇地震作用下的結構基底剪力與小震CQC的比值約為5.48～6.59，說明6度區框剪結構有良好的抗震性能，結構部分進入彈塑性階段。

由剪力墻和框架在大震下的損傷性能指標可以看出，剪力墻的中重度損傷主要集中在連梁位置。少部分墻肢出現輕度損傷，主要分布于結構中部的水平墻肢上?？蚣艽蟛糠謽嫾霈F輕微、輕度損傷，中部部分框架梁出現中度損傷?？偠灾Y構損傷主要集中在連梁和框架上，說明連梁和框架起到耗能作用[11－12]。

在考慮重力二階效應及大變形條件下，結構在地震作用下的X、Y向最大頂點位移分別為606.4 mm、626.2 mm，滿足“大震不倒”的設防要求；主體結構在各組地震波作用下X、Y向最大彈塑性層間位移角分別為 1／183、1／180，滿足規范彈塑性層間位移角限值（1／100）要求。剪力墻損傷主要集中在底部加強區墻肢處，可采取提高邊緣構件縱筋、箍筋及墻身分布筋配筋率的措施進行加強，以提高其抗變形能力和抗震性能。通過大震彈塑性分析及采取的相應措施，認為結構能滿足大震抗震性能要求。

8 結論

本建筑在設防烈度6度區，抗震不利地段，為B級高度且存在三項不規則的框架剪力墻結構。通過采取合理的結構布置、采用多力學模型對比分析、考慮適量的地震力放大系數等方式，嚴格執行相關規范要求，可以保證結構的彈性分析滿足規范要求。通過對關鍵構件采取必要的加強措施，并經軟件計算分析，可以滿足結構在設防地震和罕遇地震下性能設計目標D級的要求。