某高層建筑結構設計及抗震分析

摘 要：本文對某特別不規則超限高層建筑工程進行研究，發現該高層建筑存在剛度突變、承載力突變等4個不規則項，因此判定結構為特別不規則建筑，并提出針對性的控制措施，基于不同性能目標，利用多種數值軟件對小震、中震、大震作用下的性能進行分析。研究表明，SATWE和YJK計算的小震作用下指標接近，均滿足規范要求，說明所建模型合理。小震作用下的周期比、層間位移角、剛重比等指標滿足《高規》要求。中震、大震作用下的剪力比、層間位移角均在限值范圍內，說明本超限建筑結構設計方案合理。

關鍵詞：高層建筑；超限結構；結構設計；抗震分析

中圖分類號：TU 97" 文獻標志碼：A

隨著我國經濟的飛速發展，民眾的物質文化需求日益增加，多功能的高層建筑逐漸出現，建筑和結構形式復雜多樣，給建筑結構設計帶來了巨大的挑戰。地震作為最普遍的自然災害，會造成巨大的經濟損失和人員傷亡，因此對建筑結構抗震設計也提出了更高的技術要求[1]。目前，關于高層建筑結構設計及抗震性能的問題研究已逐漸成為結構工程中的熱點之一。

國內眾多學者以具體高層建筑工程為例，利用有限元分析等方法[2-3]對建筑結構設計和抗震性能進行了一系列的研究。例如，錢坤等[4]以某剪力墻住宅結構為例，利用多種有限元軟件對多遇、設防和罕遇地震下的抗震性能進行分析，針對結構薄弱位置提出了加強措施。夏世群等[5]以某框架-剪力墻高層建筑為研究對象，通過扭轉不規則、斜柱等不規則項分析，判定該高層建筑為超限結構。并結合兩種軟件對結構抗震進行設計及分析。

本文依托某高層建筑工程背景，針對工程特點進行了結構設計，通過有限元分析對小震、中震、大震作用下的性能進行分析。

1 工程概況

江蘇某高層項目所處位置交通便利，地理位置優越。建筑上部面積為14474m2，地下部分建筑面積為28451m2，建筑面積為42925m2。項目由一棟高90.1m的酒店、4層樓的裙房、2層人防地下室組成。本次報抗震超限審查為酒店部分，底部長寬為80.0m×54.0m，地下二層，地上19層（公寓部分設計二次結構夾層），高度為89.49m。

結構安全等級為二級，建筑高度類別為A級，酒店部分為重點設防類，其他為標準設防類，所在地區為6度區（0.05g），場地類別為Ⅵ類，設計地震分組為第一組，嵌固端為地下室頂板。

1.1 結構體系及構件信息

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》規定，本工程屬于框架-剪力墻結構。工程中的鋼筋采用HRB400，混凝土等級及相應構件尺寸信息見表1，除屋面層梁、板混凝土等級為C30，其他樓層梁、板混凝土等級均為C35。標準層板厚120mm，角部板厚130mm，局部范圍板厚150mm。地下室板厚250mm、商業裙房板厚為100mm、裙房屋面板厚150mm、-0.05標高層作為上部結構嵌固端，板厚180mm。

1.2 超限結構判定

由項目出具的不規則超限報告可知，本工程存在以下不規則項：尺寸突變、凹凸不規則、扭轉不規則（扭轉位移比計算值為1.29）、剛度突變、承載力突變，因此本工程高層公寓樓屬于特別不規則超限高層建筑。針對超限問題，本工程主要采取以下幾項措施來保障結構的安全性[6]。①利用多種不同計算軟件對結構進行彈性時程分析以及彈塑性動力時程分析。②對結構的關鍵部位進行細部分析，并提高其抗震措施。③基于性能設計抗震方法。④針對扭轉不規則問題，通過增加結構最外側框架梁的截面尺寸，達到提高整體結構抗扭性能的目的。⑤底部加強區的剪力墻配件應嚴格符合《高層建筑混凝土結構技術規程》要求，水平和豎向分布筋配筋率超過0.3%。可達到提升底部加強區剪力墻的目的。

2 抗震性能目標

結合已有工程實踐經驗，根據《高層建筑混凝土結構技術規程》關于抗震性能設計要求以及不同位置構件的重要程度，本工程用D級抗震性能目標（工程存在4項特別不規則），在多遇地震、設防烈度地震、預估的罕遇地震作用下，應分別達到1、4、5級抗震性能水準。表2為本高層建筑抗震性能目標。

3 模型建立及參數設定

本文利用YJK和SATWE兩種結構分析軟件，按照1∶1的比例建立三維結構模型。根據規范和設計方案設置材料屬性，用軟件內置桿單元模擬模型中的框架梁和框架柱，由軟件內置的膜單元模擬所有樓板，由軟件內置的殼單元模擬門洞上方的連梁和剪力墻。通過點、線、面荷載的形式施加永久荷載、可變荷載。計算模型如圖1所示。模型中的主要參數見表3。

4 結構抗震分析

4.1 小震作用下彈性分析結果

表4為小震作用下的彈性分析結果。對表4進行分析可知，采用SATWE和YJK對小震作用下高層建筑結構極限進行模擬，兩個軟件計算結果接近，均滿足規范要求，說明所建模型合理，SATWE和YJK在模擬小震作用下獲得的結構剛重比均大于2.7，滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》要求。地震和風荷載引起的層間位移角均小于《高層建筑混凝土結構技術規程》要求。結構扭轉為主的第一周期Tt與平動為主的第一周期T1之比小于《高層建筑混凝土結構技術規程》要求。框架柱、剪力墻有限元軟件計算的最大軸壓比較接近，均滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》中對軸壓比的限值要求，說明結構整體的延性較好，結構整體抗震性能良好。

4.2 小震作用下彈性時程分析結果

為了對小震作用下該高層建筑的彈性時長進行分析，將地震波加速度幅值設為18cm/s2，雙向水平分別導入3條地震波（1條人工波、2條天然波），圖2為不同地震波下，X向和Y向的基底剪力的柱狀圖。從圖中可以看出，任意一條地震波計算的基底剪力均小于1.35倍的振型分解反應譜法結果，大于0.65倍振型分解反應譜法結果。3條地震波計算的平均基底剪力小于1.2倍的振型分解反應譜法結果，大于0.8倍振型分解反應譜法結果。由此可見，基底剪力結果均滿足規范要求。

圖3分別為X向和Y向不同樓層層間位移角曲線。從圖中可以看出，沿著樓層從低到高的方向，不同地震波下的層間位移角呈現先增后減的趨勢，不同地震波下的層間位移角最大值均小于規范要求。

4.3 中、大震作用下彈性分析結果

利用YJK對中震作用下高層建筑結構進行模擬，分析中震作用下的彈性。由YJK計算結果可知，地震作用量級合理，中震作用下的高層建筑結構基底剪力約為2.9倍的小震作用下結構基底剪力，沿著結構高度方向，各樓層剪力沒有突變現象，整體較為均勻，且整個結構的抗剪承載力和單個樓層的抗剪承載力均滿足設計要求。此外，結構關鍵構件符合“受彎不屈服，受剪彈性”的標準，其他構件也能滿足表3的抗震性能要求。

利用SAUSAGE對大震作用下高層建筑結構進行模擬，并分析結構動力彈塑性。選取1組人工地震波和2組天然地震波。觀察SAUSAGE計算的彈塑性層間位移角結果可知，罕遇地震條件下的X、Y方向的最大值分別為1/238、1/255，都小于1/120（滿足規范對彈塑性層間位移角的要求），同時能滿足大震不倒的基本要求。此外，根據大震、中震作用下的剪力比結果可知，本高層建筑結構在大震作用下具有合理的非線性特征。

4.4 結構整體穩定驗算

《高層建筑混凝土結構技術規程》第5.4.4條規定：對框架－剪力墻結構來說，高層建筑結構的剛重比（）應大于1.4。本工程X向和Y向的剛重比分別為2.38和2.76，滿足整體穩定性要求。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》第5.4.1條規定，計算時應該考慮P－Δ效應的影響。

4.5 特殊部位詳細分析

本工程四樓的層高較高，長跨方向柱成為穿層柱，采用型鋼柱，并擴大長跨方向的柱截面，使其具有良好的剛度和承載力。五層樓板存在較大洞口，因此為了分析樓板開洞對水平地震剪力傳遞的影響，須對五層樓板應力進行分析。通過有限元軟件計算的結果可知，在X向地震作用下，五層樓板的X向和Y向拉應力基本小于0.1MPa，局部達到0.7MPa，均小于C35混凝土的軸心抗拉強度。

5 結論

本文依托某高層建筑工程背景，分析了工程中的不規則項，利用YJK、SATWE等多種軟件對該框架-剪力墻結構進行地震作用模擬。得出以下主要結論。1）本高層結構存在凹凸不規則、承載力突變等4個不規則項。2）采用SATWE和YJK對小震作用下高層建筑結構極限進行模擬，兩個軟件計算結果接近，均滿足規范要求，說明所建模型合理。3）小震作用下的層間位移角、剪重比等均小于限值，滿足“小震不壞”目標。中震作用下的剪力分布均勻，符合“中震可修”的標準。大震作用下的彈塑性層間位移角小于1/120，符合“大震不倒”的標準。

參考文獻

[1]張起舞， 王旭松， 劉建濤， 等. 會議辦公樓超限結構設計[J]. 建筑結構， 2021（51）：120-124.

[2]張碩. 深圳某綜合樓超限結構設計[J]. 建筑技術開發， 2020， 47（7）：43-45.

[3]單孟碩， 張曉光， 何誠. 某超高層結構罕遇地震彈塑性時程分析[J]. 結構工程師， 2014， 30（2）： 84-89.

[4]錢坤， 封元， 胡艾邦. 高層建筑罕遇地震下結構的彈塑性分析[J]. 低溫建筑技術， 2020， 42（8）： 70-72.

[5]夏世群， 勞希君， 王熙堃， 等. 中華國際廣場超限高層結構設計[J]. 建筑結構， 2021， 51（12）：25-31， 55.

[6]王石高， 張立偉， 丁勵. 中南大學湘雅五醫院轉換結構設計[J]. 工程建設， 2020， 52 （9）： 1-5，29.