某C形高層建筑的抗震設計分析

汪 瑞 （安徽省城建設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230051）

0 引言

鋼筋混凝土結構的抗震設計，首先需要對建筑結構方案進行把控，注重抗震概念設計，只有建筑物具有合理的抗震性能并滿足“三個水準”抗震設防目標，才能在地震災害發生時不被損毀。對于特別不規則的建筑，應采取更有效的加強措施或對薄弱部位采用相應的抗震性能化設計方法[1]，采用“兩階段設計”實現“三個水準”設防目標，確保其安全性。

1 高層建筑混凝土結構抗震設計原則

1.1 合理的建筑結構平面布置方案

對于高層建筑的抗震設計，建筑結構平面布置方案的合理性尤為重要，由于地震作用發生的隨機性和不確定性，地震作用效應很難準確預估。大量的震害調查研究表明，平面布置規則對稱、剛度分布均勻、傳力路徑明確的結構具有良好的抗震性能，不會輕易損壞；而平面布置復雜不規則、存在明顯薄弱部位的結構破壞程度一般都較為嚴重，主要是因為對于簡單對稱規則的結構在采取相應抗震構造措施和處理時較為容易。因此，確定合理的建筑結構體系和布局尤為重要，也是抗震概念設計的關鍵內容。高層建筑抗震設計時，應盡量采用規則對稱結構布置方案，避免具有較多不規則項或明顯薄弱部位的結構布置。

1.2 多道抗震防線

單一結構體系只有一道抗震防線，地震發生時一旦破壞就會造成建筑物倒塌。如果建筑物具有多道抗震防線，采用多重抗側力體系，第一道防線的抗側力構件在地震作用下遭到破壞后，建筑物不會倒塌，其余防線的抗側力構件立即接替，承擔后續的地震作用，確保建筑物仍然具有一定的安全度。當建筑物基本周期與地震動周期相同或接近時，多道防線就更顯示出其優越性。當共振發生時，第一道抗側力防線破壞，第二道防線進入工作狀態，建筑物自振周期發生變化，與地震動周期有較大差異，共振現象消除，避免建筑物發生二次嚴重破壞[2]。因此，對于高層建筑的抗震設計，其結構體系應有明確的計算簡圖及合理的傳力路徑，注重加強薄弱部位的抗震能力，設置多道抗震防線，使建筑物具有更大的安全冗余度。

1.3 三水準設防、兩階段設計

《建筑抗震設計規范（2016 版）》（GB 50011-2010）對于建筑抗震設防的基本思想和原則為“三個水準”抗震設防目標，采用“三水準、兩階段”的設計方法。抗震設防的三個水準目標即“小震不壞、中震可修、大震不倒”，采用“兩階段設計”實現“三個水準”設防目標，第一階段是采用“小震”的地震動參數計算彈性地震作用標準值和對應的地震作用效應，并進行結構構件的截面承載力抗震驗算，滿足了“小震不壞，中震可修”的目標。對于絕大多數結構，可只進行第一階段設計，通過概念設計及抗震構造措施實現“大震不倒”的要求。第二階段是對地震時易倒塌的結構、抗震性能差的結構（如單跨框架）、特別不規則結構（有明顯薄弱部位）進行彈塑性變形驗算并采取相應的構造措施，實現“大震不倒”的目標。

2 結構抗震設計優化對策

2.1 優化場地選址

地震震害的形成原因可以分為地震動作用直接引起結構破壞和不合理的場地選址兩種。地震災害調查分析研究表明，地表錯動、邊坡失穩、滑坡、泥石流、軟土震陷及地基土液化等都是造成建筑物破壞的主要原因。按目前的科技發展水平，很難做到經濟有效地防御地震，避讓是唯一有效的辦法，也就將建筑物建設場地選在地質條件穩定和安全的地帶。一般地，距離發震斷裂帶越遠，次生地質災害發生的可能性就越小。因此，在抗震設防區應遵循“選擇有利地段、避開不利地段、嚴禁選擇危險地段”的原則進行建筑物選址。

2.2 合理選擇結構體系

高層建筑抗震設計時，應進行多種結構體系的比選，選用最為可靠的抗側力結構體系，首選具有多道抗震防線的結構型式，如框架-剪力墻結構、框架-核心筒、筒中筒結構等。地震發生時，地震動對建筑物的破壞很大，且一般情況下會發生多次余震，給建筑物帶來累積性破壞。對于單一結構體系，地震極易造成建筑物直接倒塌，威脅人民的生命和財產安全；而采用框架-剪力墻結構、筒體結構的建筑物在地震發生有多道防線來抵御地震作用，有效地延緩甚至阻止建筑物的倒塌，減小了人民群眾人身傷害及財產損失。因此，在高層建筑混凝土結構抗震設計時，合理的結構贅余度及采用多重抗側力體系是非常必要的。

2.3 結構方案優化

建筑與結構相互依存、密不可分，建筑創作需要結構創新作為技術支撐，很多著名的建筑作品往往是二者完美結合的成果?？拐鹪O計與結構技術聯系密切，性能化設計、消能減震、隔震技術等都具有較為成熟的研究成果和大量的工程實踐，可以合理地應用到結構抗震設計中，既能滿足建筑的功能要求、實現立面效果，又能滿足結構的抗震設防目標，形成最優的結構方案。尋求更加合理有效的抗震新技術，并將這些技術應用到實際工程項目中，以實現安全適用、技術先進、經濟合理、方便施工的目標，不應把結構方案局限于常用的結構體系中，要盡可能多地考慮不同的結構體系，并進行對比，選出最優的結構方案。因此，結構方案的優化及確定在結構設計中尤為重要。

2.4 嚴控扭轉效應

《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3-2010）[3]對于扭轉效應的控制主要概括為對位移比、周期比兩個宏觀指標的控制。

當位移比達到不規則判別的界限值時，整個結構的豎向受力體系和水平受力體系受力都非常不均勻。震害調查研究表明，處于薄弱的邊緣部位且受力變形較大的豎向構件扭轉效應明顯，隨著地震作用效應累積，較快進入受損狀態，造成局部倒塌甚至結構的整體破壞。

周期比是判斷結構扭轉效應的另一項重要指標，當扭轉振型為結構第一振型時，表明扭轉振動成為主振型，結構抗扭剛度小，對結構抗震非常不利。若計算結果表明結構的抗扭剛度較弱，需要調整優化結構布置。抗側力構件宜對稱、均勻布置，使結構的剛度中心與質量中心盡量重合；加大外圍構件的抗側剛度；設置防震縫解決了地震作用下的扭轉問題，可以把體型復雜的建筑劃分為若干較為簡單的抗震分析模型，方便分別計算地震作用并采取相應的抗震措施。

3 實例分析

3.1 工程概況

某老年醫學康復中心工程（南地塊）位于安徽路以東、錦繡大道以南，8#樓位于地塊東南角，地下2 層（地下一層設夾層），地上11 層的介助介護養護單元，主體結構高度44.95m，塔樓呈C 形，在適當位置設有一道200 寬防震縫，劃分為兩個L 形的結構單元，其中上部結構單元凸角尺寸較小，小于相應邊長的30%。下部L 形結構單元水平肢長37.4m，寬17.0m；垂直肢長49.0m，寬16.9m。8#介助介護養護單元地上建筑面積為24448.67m2,地下建筑面積為5513.24m2，整體YJK 結構模型見圖1，標準層結構平面布置圖見圖2。

圖1 整體YJK結構模型

圖2 標準層結構平面布置圖

3.2 上部結構

標準層典型樓板厚度為120mm，屋面板厚度為120mm，內部主梁截面尺寸為350mm×600mm，外框架主梁截面尺寸為400mm×850mm；次梁截面尺寸為250mm×550mm、200mm×500mm。塔樓地下室負二層頂板厚度350mm(人防頂板)，負一層頂板及夾層頂板厚度180mm，地下室負二層頂板采用大板結構，主梁截面尺寸為600mm×900mm，地下室負一層頂板及夾層頂板采用的主梁截面尺寸為350mm×800mm，次梁截面尺寸為300mm×600mm，典型柱網為8.0m×8.0m；框架柱截面尺寸為800×800mm～1000×1300mm，剪力墻厚度為200～400mm。

3.3 基本參數

合肥地區基本風壓取50 年一遇的風壓值0.35kN／m2(舒適度計算取0.25kN／m2)，地面粗糙度為B類?？拐鹪O防烈度為7 度，基本地震加速度為0.10g，設計地震分組為第一組，抗震設防類別為乙類，根據安徽省及合肥市防震減災條例，計算采用的基本地震加速度提高一檔至0.15g，場地類別為Ⅱ類，特征周期為0.35s?？拐鹪O計等級：上部結構單元為框架結構，框架抗震等級為一級，下部結構單元為框架-剪力墻結構，剪力墻為一級，框架為二級。墻、柱混凝土強度等級為C30～C55，梁、板混凝土強度等級為C30～C35，地下室底板、外墻混凝土強度等級為C35（抗滲等級P8）。

3.4 上部結構嵌固端選取

根據高規第12.2.1 條，當地下室頂板作為上部結構嵌固部位時，地下一層與相鄰上層的側向剛度比（剪切剛度）不小于2.0。本項目地下室均采用現澆梁板結構體系，地下室頂板厚度為180mm，地下室部分結構模型已考慮地上結構周邊外延不大于20m 的地下室范圍。計算結果表明結構在X向、Y向的嵌固剪切剛度比值分別為2.27、3.17，地下一層頂板滿足要求。同時，考慮地下室夾層頂板存在的實際嵌固作用，其板厚及配筋均按嵌固端要求設計。

3.5 結構抗震設計

3.5.1 結構不規則情況

本項目設置結構縫后，上部結構單元僅存在扭轉不規則項，可按《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3-2010）相關要求進行抗震計算并采取相應的抗震構造措施。本文重點分析下部結構單元的抗震設計，下部結構單元存在扭轉不規則、平面凹凸不規則等不規則項，屬于一般不規則高層結構，在考慮偶然偏心影響的規定水平地震力作用下，第6 結構標準層的扭轉位移比為1.28，X 向風荷載作用下，第8 結構標準層的扭轉位移比為1.26，平面凸角尺寸約為相應投影方向總尺寸的55%，遠大于《建筑抗震設計規范（2016 版）》（GB 50011-2010）第3.4.3 條30%的限值要求，接近《2010 超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》的實施細則中60%的要求。因此，下部結構單元采用抗震性能化設計方法，性能目標確定為D 級，性能水準為1、3、5，結構各部分性能要求見表1。地震作用的主要計算參數見表2。

表1 主要構件性能目標

表2 地震作用的主要計算參數

3.5.2 采取的結構抗震措施

本項目主體結構高度44.95m，低于《建筑抗震設計規范（2016 版）》（GB 50011-2010）7 度區框架結構的最大適用高度（50m），但由于抗震設防類別為乙類，計算采用的基本地震加速度提高一檔至0.15g，計算地震作用較大，且下部結構單元呈L 形，凹凸尺寸遠大于規范限值，存在較為突出的扭轉不規則，下部結構單元選用具有多道防線的框架-剪力墻結構體系，剪力墻是主要抗側力構件，為第一道防線，框架為第二道防線。同時，針對部分工況下位移比超限的情況，調整剪力墻布置，使結構的剛心與質心盡量重合，增大結構的抗扭剛度，減少中部剪力墻的剛度，適當加大各樓層外圍框架梁的截面尺寸，避免設置轉角窗和大開洞。在考慮偶然偏心影響的規定水平地震力作用下，扭轉位移比大于1.2，但遠小于1.4；扭轉為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期比值為0.77，遠小于0.90，滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3-2010）第3.4.5條要求。

針對結構平面呈C 形，在適當位置設置防震縫，形成兩個較為規則的結構單元，針對上部結構單元X 向超長及下部結構單元Y 向超長，分別合理設置伸縮后澆帶，減少溫度應力對結構的影響。

塔樓固嵌端范圍內采用現澆梁板結構，板厚增加至180mm 以利于水平力的傳遞，同時考慮地下室夾層頂板存在的實際嵌固作用。

3.6 計算分析

3.6.1 YJK與ETABS計算結果對比

對8#樓下部結構單元，采用YJK 和ETABS 兩種結構軟件進行計算分析，對比結果見表3，結果表明，兩種軟件的計算結果基本吻合。

表3 YJK和ETABS計算結果對比

3.6.2 彈性動力時程補充分析

下部結構單元采用時程分析法進行多遇地震下的補充計算，按建筑場地類別和設計地震分組，選用2 組實際強震記錄和1 組人工模擬的加速度時程曲線，地震波的主向地震加速度峰值約為40cm/s2，次向地震加速度峰值約為34cm/s2，彈性時程分析時，每條地震波計算得到的結構底部剪力均滿足規范相關要求，彈性計算結果取時程分析法的包絡值和振型分解反應譜法的較大值，在計算總信息中輸入“地震作用放大系數”滿足包絡設計要求。

3.6.3 中震不屈服分析

由于下部結構單元凹凸比例較大，除按規范要求進行設計外，補充中震不屈服分析。底部加強區剪力墻按抗剪彈性、壓彎及拉彎不屈服進行設計，普通豎向構件按抗剪不屈服、壓彎及拉彎不屈服進行設計。

同時，由于樓板具有傳遞豎向荷載及水平荷載的作用，在地震作用下將水平力傳遞、分配給豎向構件并與豎向構件一起協調變形，補充設防地震工況下的樓板應力分析。樓板采用彈性板6 假定，經YJK 軟件進行計算分析可知，在設防地震作用下，樓板大部分區域的面內拉、壓應力一般為0.1～0.7MPa，小于C30 混凝土的抗拉強度標準值（ftk=2.01MPa），樓梯間以及電梯間周邊局部出現應力集中，應加強該區域配筋。

4 結語

本文通過對某C 形高層建筑下部結構單元的小震彈性、中震不屈服計算分析并采取相應的抗震措施，可滿足選定的抗震性能目標。采用YJK、ETABS 兩種結構軟件對其進行計算分析，結果表明二者計算結果基本一致，結構總體上滿足多遇地震無損壞、設防地震輕度損壞可修復、罕遇地震嚴重損壞但不倒塌的性能目標。