某超限高层塔楼结构设计分析

某超限高层塔楼结构设计分析

石挺家

广东省建筑设计研究院广东广州510010

摘要：本文通过对某高层塔楼住宅分别进行中震分析和在罕遇地震作用下的静力弹塑性分析，并对个别特殊部位进行了处理，验证了超限处理方法的正确性和合理性，为类似的工程设计提供了一定的参考价值。

关键词：中震分析；静力弹塑性分析；超限处理

1.前言

本文中的超高层住宅项目位于禅城区，为一超高层塔楼住宅，地下2层，地上51层，建筑总高度为149m，塔楼的长宽尺寸为28.2×21.3m，主要层高为2.9m。

参照《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》[1]、《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]（JGJ3－2010）、《广东省超限高层建筑工程抗震设防专项审查实施细则》[3]（和广东省标准《高层建筑混凝土结构技术规程》[4]的有关规定，塔楼结构有如下超限情况：

（1）高度超限（B级高度高层）；

（2）存在扭转不规则及凹凸不规则。

采用PKPM系列软件的SATWE和PUSH模块，分别对某高层住宅进行中震分析和在罕遇地震作用下的静力弹塑性分析。

2.设计条件

2.1设计基准期及结构设计使用年限

根据标准[6]，本文的塔楼设计基准期为50年，结构的设计使用年限为50年，安全等级为二级，地基基础的设计等级为甲级。

2.2建筑耐火等级

本文中的建筑分类为一类，建筑耐火等级为一级，各构件耐火极限参考标准[7]。

2.3场地条件

抗震设防烈度为7度，Ⅱ类场地，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为0.10g，特征周期0.35s，抗震设防分类为标准设防（丙）类。

2.4工程场地安全性评价

根据《工程场地地震安全性评价报告》，有关结论如下：

（1）在未来100年内，区域存在发生多次5~6级地震可能；

（2）近场具有发生中强以上地震的可能。

2.5场地地震地质灾害评价

本文中的工程场地土为中软土。粉砂层在地震烈度Ⅶ度作用下粉细砂层及细（中）砂层轻微~严重液化；场地在地震烈度Ⅶ度作用不会出现软土震陷；场地未发现有较大规模的断裂构造通过，近场区的主要断裂在晚更新世以来已无明显活动，且距离场地较远，可忽略断裂地表错动对工程的影响；建筑场地揭露有软土，场地划分为对建筑抗震不利地段。但场地及附近地面较平坦，未发现崩塌、滑坡、泥石流等不良地质作用和地质灾害现象，不存在地震崩塌、滑坡、地裂缝和泥石流等。

2.6抗震设计

根据规范[5]的要求，建筑结构以“三个水准”为抗震设防目标，即“小震不坏、中震可修、大震不倒”。本文依据高规[2]具体采用的抗震性能水准如下：

在多遇地震（小震）下满足第1抗震性能水准的要求，在设防地震（中震）下满足第3抗震性能水准的要求，在罕遇地震（大震）下满足第4抗震性能水准的要求。

2.7场地设计地震动参数

场地50年超越概率水平为63%、10%、2%的地表设计地震动加速度反应谱—地震影响系数α（T）表达式：

3.中震分析及计算

3.1中震主要计算结果

根据其抗震性能目标，结合《高规》中“不同抗震性能水准的结构构件承载力设计要求”的相关公式，采用SATWE软件对所有结构构件（除普通楼板、次梁以外），进行设防烈度地震（中震）作用下的性能计算分析。本文中的塔楼剪力墙、裙楼框架柱的受剪承载力按中震弹性验算，正截面承载力按中震不屈服验算；框架梁、连梁的受剪承载力按中震不屈服验算，正截面承载力按可适当屈服验算。中震验算的整体计算简要结果如表3所示。

4.塔楼应力与弹塑性分析

4.1塔楼楼板的应力分析

为了解中震作用下，关键位置楼板工作性能，对二层平面、17层平面、35层平面进行楼板应力分析，所选楼层为大开洞楼层及低、中、高区代表楼层。

采用YJK软件计算楼板应力，计算结果如下图所示。

计算结果显示，楼板应力均较小，与楼梯电梯筒连接的关键位置楼板应力均小于混凝土抗拉强度，个别剪力墙角部存在轻微应力集中现象，可通过局部加强楼板配筋处理，另外：

低、中、高区楼层：楼电梯筒周边楼板，底筋及面筋分别按构造拉通。

在中震作用下，楼板在弹性工作状态下，可满足楼面刚度，有效协调各竖向构件工作。

4.2静力弹塑性分析

采用PUSH&EPDA程序对某高层住宅在罕遇地震作用下进行静力弹塑性推覆分析，以检验主体结构能否达到规范要求的“大震不倒”的抗震设防目标。

分两步进行加载。第一步为施加重力荷载代表值，并在后续施加水平荷载过程中保持恒定。第二步为逐步施加竖向分布模式为倒三角形的水平荷载。

（1）在罕遇地震作用下，性能点处弹塑性位移角最大值为1/227，符合《高层建筑混凝土结构技术规程》第4.6.5条的规定，建筑物可实现“大震不倒”的抗震设防目标；

（2）性能点相对应的总加载步数为35.8步；

（3）性能点基底剪力为18334.0kN，是多遇地震作用下基底剪力的3.57倍。

（1）在罕遇地震作用下，性能点处弹塑性位移角最大值为1/203，符合《高层建筑混凝土结构技术规程》第4.6.5条的规定，建筑物可实现“大震不倒”的抗震设防目标；

（2）性能点相对应的总加载步数为26.6步；

（3）性能点基底剪力为17577.5kN，是多遇地震作用下基底剪力的3.30倍。

4.3个别特殊处理部位

4.3.1楼梯间北侧剪力墙

楼梯间北侧X向剪力墙无楼板连接，为保证其稳定性，加强梯段分布钢筋并锚入剪力墙内，利用楼梯斜段提供剪力墙层间支撑。

4.3.2部分阳台处理

户型主阳台，若设置悬臂梁，从顶层至底层将使框架柱产生较大偏心弯矩，因此主阳台采用悬臂板结构，边梁仅为建筑装饰。

4.3.3避难层楼梯间两端剪力墙开洞处理

楼梯间两端，于两个避难层均需开门洞，使剪力墙局部削弱。由于避难层位于18层及35层，根据计算结果，开洞对整体影响很小。右侧开洞对剪力墙影响较小，按规范在洞边设置边缘构件即可；左侧开洞使剪力墙南段长度减少较多，于剪力墙南端设置了端柱对其进行加强，端柱由底层至35层。

5.分析与结论

本文中的高层塔楼为B级高度超高层建筑，十字形平面凹凸不规则，但结构形式比较简单，我们在设计中充分利用概念设计方法，对关键构件设定抗震性能化目标，并在抗震设计中，采用多种程序对结构进行了弹性、弹塑性计算分析。除保证结构在小震下完全处于弹性阶段外，还补充了关键构件在中震和大震下的验算。计算结果表明，多项指标均表现良好，基本满足规范的有关要求。根据计算分析结果和概念设计方法，对关键和重要构件作了适当加强，以保证在地震作用下的延性。

参考文献：

[1]超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点[J].岩土工界，2003，（10）：1-3+19.

[2]徐培福，黄小坤，容柏生，程懋堃，汪大绥，胡绍隆，傅学怡，肖从真，方鄂华，钱稼茹，王翠坤，肖绪文，艾永祥，齐五辉，周建龙.《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3—2010[J].建设科技，2014，（Z1）：29-30+41.

[3]广东省超限高层建筑工程抗震设防专项审查实施细则[J].建筑监督检测与造价，2011，（Z2）：39-42.

[4]《广东省标准高层建筑混凝土结构技术规程》（DBJ15-92—2013）出版[J].建筑结构，2013，（17）：95.

[5]建筑抗震设计规范（GB50011-2010）统一培训教材[M].地震出版社，国家标准《建筑抗震设计规范》管理组，2010

[6]GB50068-2001.建筑结构可靠度设计统一标准[S].2001

[7]GB50016-2014.建筑设计防火规范[S].2014

[8]GB50009-2012.建筑结构荷载规范[S].2012