某超限高層結構設計與抗震性能分析

摘要 某工程結構高度為157.7 m，框架-核心筒結構體系，屬于B級高度。基于抗震性能化設計方法，梳理了項目的結構體系與超限情況，對結構進行多遇地震、設防地震、罕遇地震條件下結構分析計算，并提出有效的結構抗震加強措施。分析結果表明，結構整體受力良好，各項性能指標都能達到規范預定要求。

關鍵詞 超限高層； B級高度； 彈塑性分析； 抗震措施

中圖分類號 TU973.3+1 文獻標志碼 A

1工程概況

本工程總建筑面積65 572 m²，由一棟高層寫字樓及6層商業裙樓組成，主樓的建筑物總高度為157.8 m，結構高度157.7 m，建筑物地下3層、地上38層。其中，第1～6層為商業區，7～38層為辦公區域，高層塔樓與裙樓之間設防震縫分開，該縫兼作溫度縫。

本工程的設計基準期為50年，結構主體抗震設防類別為丙類，由于容積率大于4.5，1～7層樓面為重點設防類，抗震等級提高一級。1～7層樓面的重要構件安全等級為一級，其他構件安全等級為二級，結構嵌固端設為一層樓面。工程的抗震設防烈度為6度（0.05g），設計地震分組為第一組，場地類別為II類，結構基本情況如表1所示，地震參數取值見表2。

2結構體系及超限判斷

2.1結構體系

本工程采用框架-核心筒結構體系，屬于B級高度，利用建筑中部公共交通區域布置核心筒剪力墻，剪力墻能夠提供比較有效的抗震、抗風的抗側力體系，在建筑物周邊布置框架柱，如圖1所示。樓面采用雙向布置的混凝土樓面梁板體系，1層樓板為地下室頂板，是結構的嵌固端，樓板最小厚度取180 mm，2層、5層樓板存在大開洞，洞口周圍樓板厚度取為150 mm。結構嵌固端設為一層樓面，結構主體室內外高差為1.1 m，為保證地震力與樓板錯層處能有效傳遞，錯層處的外框柱形成短柱，此處框柱的抗震等級為一級，體積最小配箍率增加為1.5%，樓板錯層處采用局部樓板加腋的加強措施，結構平面模型示意圖如圖2所示。

2.2超限判斷

項目建筑高度為157.8 m，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）規定［1］，超出限值150 m，屬于超限高層建筑。。本結構為超限項目，需要進行抗震超限審查，存在的超限類別為高度超限和規則性超限。其中，規則性超限主要為扭轉不規則和樓板不連續。

3結構抗震性能目標

項目的抗震設計在滿足國家和地方規范的同時，需根據性能化抗震設計的概念進行設計［2-3］。針對不同的地震水準，根據JGJ3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》［4］設定抗震性能目標為D+，多遇地震性能水準為1，設防地震性能水準為3，罕遇地震性能水準為5。中震下的構件抗震性能目標采用等效彈性計算方法驗算，大震下的構件抗震性能目標采用動力彈塑性分析驗算。

4結構計算與分析

4.1多遇地震彈性分析

采用YJK和Midas Building進行計算，以保證計算結果的準確性［5］，結果如表3所示。由表3、圖3可知，結構自振周期、剛重比、地震及風荷載作用下的最大層間位移角等參數均滿足規范各種指標的控制要求，符合工程經驗及力學概念所作的判斷，結構是合理的，計算結果均滿足現行國家規范及規程的要求。

4.2設防及罕遇地震下樓板應力分析

本工程結構平面近似為正方形，鑒于結構的2層和5層樓面存在大開洞，因此對結構在設防地震和罕遇地震作用下的樓板應力進行了分析，通過應力分析，找出結構樓面體系中相對薄弱部位。樓板內力計算采用反應譜法，樓板采用彈性板6，樓板在梁處剖分，最大單元尺寸為1 m，圖4～圖7為2層樓板計算結果。由圖可知，結構在設防地震和罕遇地震作用下，應力集中區域基本一致，均主要出現在樓板洞口周邊、連梁周邊、豎向構件角部等區域。為了減小對結構自重的影響，可對應力集中區域局部采取加強樓板配筋等措施適當提高配筋率，必要區域可適當配合增加樓板厚度，使其在中震和大震作用下樓板裂縫寬度及剛度退化程度得到有效控制。

4.3關鍵構件中震不屈服驗算

結構在中震作用下，由于部分構件屈服，結構的整體阻尼會增大，周期也會增長，本分析所采用的主要參數如表4所示。

根據性能目標要求，框架柱為關鍵構件，應滿足正截面不屈服，受剪彈性。采用YJK程序對該構件進行中震作用下的正截面、斜截面驗算。由計算結果可知，框架柱配筋正常，通過合理的配筋，所有框架柱構件正截面能滿足中震不屈服的設計要求，所有核心筒剪力墻斜截面抗剪能滿足中震彈性的設計要求。中震下各樓層剪力墻正截面滿足不屈服，斜截面均滿足彈性要求，施工圖設計時應按中震計算配筋結果包絡設計。

4.4大震彈塑性時程分析

在對結構進行大震作用下的彈塑性時程分析時，根據場地特征周期、頻譜特性以及有效持續時間等控制條件選取1組人工波（R1）和2組天然波（T1、T2）作為時程輸入。由圖8、圖9可知，大震作用下的結構主體峰值層間位移角參考值X向最大值出現在第21層，為1/342；Y向最大值出現在18層，為1/233，均滿足第五性能水準中有關層間位移角的要求。

圖10為47.5 s時刻剪力墻整體的剪切情況，從剪力墻整體來看，到地震波結束時，96.7%的剪力墻混凝土剪切應變等級為1和2，處于彈性狀態；1.7%的墻單元應變等級為3，處于屈服前階段；1.5%的墻單元屈服，沒有墻單元處于極限狀態。可以看到，破壞主要集中在邊緣構件部位或與連梁相交接部位，破壞程度較低，滿足第五性能水準要求。從核心筒外筒整體來看，到地震波結束時，96.2%的剪力墻混凝土剪切應變等級為1和2，處于彈性狀態；1.5%的墻單元應變等級為3，處于屈服前階段；2.3%的墻單元屈服，沒有墻單元處于極限狀態。可以看到，破壞主要集中在邊緣構件部位或與連梁相交接部位，破壞程度較低，滿足第五性能水準中，允許關鍵構件中度損壞的要求。

圖11為過渡層（5～6層樓面）核心筒外筒剪切情況，過渡層外筒有1.2%的墻單元屈服，屈服墻單元損壞主要集中在與連梁相交接的部位。最大剪應力為0.5 MPa，受剪不屈服的條件為0.7 f_tk=0.7×2.85=1.995 MPa，受剪截面的條件為0.15 f_ck=0.15×38.5=5.775 MPa，可以看出過渡層墻體幾乎全部滿足受剪不屈服要求。

4.5大震彈塑性時程分析總結

本結構層間位移角參考值小于抗震設防規范的1/111，結構滿足“大震不倒”要求。

大震作用下，核心筒外筒有少量單元混凝土剪切屈服破壞，破壞主要集中在邊緣構件部位或與連梁相交接部位，所有框架柱關鍵構件均沒有屈服。

大震作用下，耗能構件發生較為嚴重損壞，部分框架梁出現屈服塑性鉸，大部分連梁混凝土剪切屈服破壞。耗能構件起到了耗能作用。

5結構抗震加強措施

（1）采用天然筏板基礎，基礎埋深與建筑物高度比值約為1/9.4，大于規范1/15，并且天然筏板基礎以（6-2）層中風化粉砂質泥巖作為持力層，沉降量很小。

（2）底部加強區，1層樓面5層樓面核心筒約束邊緣構件墻體按照豎向鋼筋配筋率1.2%；過渡層，5～6層樓面核心筒角部約束邊緣構件墻體按照豎向鋼筋配筋率1.2%；6層樓面至7層樓面核心筒角部約束邊緣構件墻體按照豎向鋼筋配筋率1.2%筋配筋0.9%進行；7層樓面以上核心筒角部約束邊緣構件墻體按照豎向鋼筋配筋率1.0%。核心筒剪力墻設置暗梁，暗梁截面高度同樓層典型連梁高度。

（3）2層、5層存在大開洞，核心筒內外樓板厚度增大到150 mm。保證核心筒豎向剛度變化均勻平緩，核心筒墻體厚度的改變以及墻體混凝土等級的改變不在同一樓層進行。

（4）連梁控制剪壓比，箍筋按小震彈性和中震等效彈性包絡配筋，對于剪壓比超限的連梁采用交叉斜筋或此部位設置雙層連梁以提高其抗震性能。

（5）施工圖設計時，應根據抗震性能設計要求，對相關構件配筋采用小震+風與中震分析結果包絡設計，對關鍵構件抗剪配筋尚應采用小震+風與大震分析結果包絡設計。

（6）按規范要求設置暗梁，并在上部筒體與框架梁相交處設置壁柱或端柱，加強結構抗震性能。

6結束語

（1）在多遇地震作用下，本結構周期比、結構層間位移角等都滿足現行規范的相關要求。

（2）關鍵構件在中震作用下的正截面承載力滿足不屈服要求，其受剪承載力滿足彈性要求。

（3）采用彈性樓板模型對結構樓板進行有限元分析，板面拉應力集中在核心筒角部及洞口部位，壓應力及剪應力均未超過規范的材料限值。

（4）本結構雖具有高度超限、扭轉不規則和樓板不連續等超限指標，但通過結構優化，并采取一系列抗震加強措施，使結構具有良好的抗震性能，滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設防目標。本工程設計成果可為同類超限高層結構設計借鑒。

參考文獻

［1］中華人民共和國住房和城鄉建設部. 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［S］. 2015-05-21.

［2］陳旭元.超限高層建筑結構基于性能抗震設計的研究［J］. 山西筑， 2017， 43（33）： 45-46.

［3］盧一麟， 尹鳳霞， 郭獻洲. 超限高層建筑結構抗震設計加強措施和建議——以某超限高層建筑為例［J］. 地震工程學報， 2018， 40（6）： 1252-1258.

［4］徐培福， 傅學怡， 王翠坤， 等. 復雜高層建筑結構設計［M］. 北京： 中國建筑工業出版社， 2005.

［5］中國建筑科學研究院. 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.