试论超限高层建筑结构工程抗震设计

试论超限高层建筑结构工程抗震设计

黄元海

黄元海

奥意建筑工程设计有限公司广东深圳518000

摘要：21世纪，随着高层建筑的不断涌现，限高层建筑也以极快的速度增加着，同时被应用的越来越加广泛，其安全与否对于人们的生命财产安全有着重要的影响，因此，必须加强对超限高层建筑结构设计的重视。本文通过对某超限高层结构设计工程实例的介绍，讨论了结构选型与布置，经过采用两个不同力学模型软件分析计算和非线性分析和地震评价结果表明，工程的各项总体计算指标比较理想，针对超限所采取的抗震措施合理有效，总体设计满足规范要求。分析结果可供类似结构参考。

关键词：超限高层建筑；结构设计；不规则结构；抗震性能设计

1、工程概况

某超高层住宅建筑，地面以上48层，地下三层，主体结构建筑高度162m。设计使用年限50年，结构安全等级二级，抗震设防类别为丙类，地基基础设计等级为甲级；根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）及工程地质勘察报告，本场区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g，设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类，特征周期值为0.40s，属建筑抗震一般地段。风荷载计算时，整体位移验算采用50年重现期的风压值0.45kN/m2，承载力计算采用100年重现期的风压值0.50kN/m2。

2、结构体系及结构超限类型的确定

本工程地面以上为住宅建筑，结构高度及高宽比均较大，采用钢筋混凝土剪力墙结构体系。结构布置时，充分利用墙肢翼墙的翼缘效应，通过加大翼墙厚度提供较大的抗侧刚度；由于建筑功能限制，建筑平面X方向可布置建筑剪力墙的数量较Y方向少，设计上通过增加X方向边框框架柱及加宽框架梁，加强X向结构刚度以满足要求。剪力墙全部落地无转换。标准层结构布置详见图1。

图1标准层结构平面布置图

本工程超限类型有三点，分别如下：

1）《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010表1全部落地剪力墙结构A级高度限值120m，B级高度限值150m，本工程高度162m，超过B级高度12m。

2）Y方向扭转位移比超过1.2，按照《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》2010年版附录一：表2，属于1a类扭转不规则。

3）平面凹凸尺寸大于其相应边长30%，属于平面不规则。

3、结构分析及计算结果

3.1地震作用

根据本工程《场地地震安全性评价工作报告》，本场地设计反应谱参数与规范反应谱参数对比如表1所示。

表1规范反应谱和安评反应参数对比表

选取1#楼分别按规范和安评反应谱计算其楼层剪力和层间位移角，计算结果表明，小震下安评反应谱作用下的楼层剪力除顶部几层略大于规范反应谱作用外其余均小于规范反应谱作用，小震下安评反应谱作用下的层间位移角均小于规范反应谱，因此在小震设计中应采用规范反应谱作为设计依据。

3.2结构抗震性能目标

针对本工程高度超限的特点，结构计算分析时除需考虑常规的竖向荷载、小震作用及风荷载作用外，还采用基于性能的抗震设计方法，对结构进行了抗震性能设计。结构抗震性能目标按照《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3－2010第3.11节内容执行。根据本工程地处7度（0.15g）区，且房屋高度为超B级高度（超过B级高度约12m）的特点，结合超限抗震设防专项审查意见，设定塔楼结构抗震性能目标如表2所示。

表2性能目标

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第3.11.3条，中震、大震作用下构件弹性或不屈服的承载力复核及受剪最小截面表达式如下：

弹性设计表达式：rGSGE+rES*GE≤R/rRE高规JGJ3－2010（3。11。3-1）；

不屈服设计表达式：SGE+S*GE≤RK高规JGJ3－2010（3.11.3-2）；

受剪最小截面要求表达式：VGE+V*EK≤0。15fCKbh0高规JGJ3－2010（3.11.3-4）。

对应不同抗震水准下结构构件承载力的要求，确定各构件各种不同损害程度对应的承载力要求如表2括号中描述。

3.3塔楼弹性计算分析

3.3.1本工程的整体计算

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第5.1.12条：B级高度高层建筑结构，应采用至少两个不同力学模型的结构分析软件进行整体计算，本工程弹性分析选用中国建筑科学研究院编制的SATWE软件（简化墙元模型，2010版）和韩国MIDAS公司编制的MIDAS/building结构大师模块（细分墙元模型，2011版）进行计算，考虑偶然偏心地震作用、双向地震作用、扭转耦联以及施工模拟加载的影响。

3.3.2整体计算结果汇总（多遇地震）

根据规范有关规定，本工程采用SATWE、MIDAS/building两个程序进行计算分析，主要参数取值如下：计算振型个数取21，周期折减系数取0.9，中梁刚度增大系数取2.0，连梁刚度折减系数取0.7，相关结果对比表如表3。

表3整体计算结果表

3.3.3计算结果验证

根据上述计算结果，结合规范要求及结构抗震概念设计理论，可以得出如下结论：

1）第一扭转周期与第一平动周期之比小于0.85，满足高规JGJ3-2010第3.4.5条要求；

2）有效质量系数大于90%，所取振型数满足要求；

3）水平力作用下的层间位移角满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第3.7.3条的要求，建筑物高度在150～250m间时可在1/1000～1/500间线性插值；

4）剪重比基本满足《建筑抗震设计规范》第5。2。5条要求，剪方法，调整结构总剪力和各楼层的水平地震剪力使之满足要求；

5）在偶然偏心地震荷载作用下，1#楼首层Y向最大扭转位移比为1.22（最大层间位移角1/3227小于规范限值的40%），略大于限值1.2，属于扭转不规则结构；

6）各塔楼底部剪力墙轴压比小于0.5，满足规范对剪力墙构件轴压比的规定；

7）根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第4.5.2条，本工程各楼层侧向刚度均大于上一层的90%，当下层层高大于上层层高1.5倍时，大于110%，没有软弱层，不属于竖向刚度不规则结构；

8）各层受剪承载力均不小于上一层的80%，满足高规第3.5.3条的规定，不属于楼层承载力突变；

9）结构刚重比大于2.7，满足规范对结构稳定的要求，不考虑重力二阶效应的影响；

10）SATWE与MIDAS/building的计算结果相近，这说明计算结果合理、有效，计算模型符合结构的实际工作状况；

11）计算结果表明，结构周期及位移符合规范要求，剪重比适中，构件截面取值合理，结构体系选择恰当。

3.4弹性时程分析

《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第5.1.13条：抗震设计时，B级高度高层建筑结构，应采用弹性时程分析法进行补充计算，根据《抗规》第5.1.2条表5.1.2-1规定，对本栋塔楼进行了多遇地震下的弹性时程分析。按地震波选取三要素（频谱特性，有效峰值和持续时间），选取Ⅱ类场地上两组实际强震记录Tianran1波和Tianran2波，以及一组人工模拟的场地波Rengong1波进行弹性时程分析；在时程分析中，主方向与次方向的峰值加速度的比值为1.00∶0.85。弹性时程分析结论：

1）时程分析结果满足平均底部剪力不小于振型分解反应谱法结果的80％，每条地震波底部剪力不小于反应谱法结果的65％的条件，所选地震波满足规范要求；

2）在结构部分楼层规范反应谱计算得出的楼层剪力和楼层弯矩小于弹性时程分析的结果。在结构设计时，应对结构地震力适当放大，放大系数介于1~1.4之间。

4、针对超限采取的主要措施

剪力墙是本结构的主要抗侧力构件，因此必须采取措施提高核心筒墙体的延性和稳定性，使抗侧刚度和整体结构延性更好的匹配。针对剪力墙的具体措施有：

1）针对B1层和首层高度较大的剪力墙，增加其厚度到600～700mm，加强其平面外稳定性。局部楼电梯不可加厚的墙肢，采用现浇楼梯板与墙肢连成整体的设计措施，以增强墙肢平面外的稳定；

2）底部加强区剪力墙抗震等级提高到特一级；

3）底部加强区剪力墙：X向按中震弹性，Y向按中震抗剪弹性、抗弯不屈服的性能目标进行设计；

3）底部加强区特一级墙身水平分布筋最小配筋率提高到0.6%，竖向分布筋最小配筋率提高到0.6%；其它一级墙身水平分布筋最小配筋率提高到0.3%，竖向分布筋最小配筋率提高到0.3%；

4）提高底部加强区剪力墙约束边缘构件竖筋最小配筋率到1.4％，特一级墙身配箍特征值提高20%；在底部加强区部分受力较大位置剪力墙端部暗柱内设型钢，并向上延伸2层；

5）底部加强区剪力墙轴压比控制按“高规”要求：一级和特一级剪力墙在重力荷载代表值作用下墙肢轴压比控制在0.5以内。通过以上加强措施，经过计算复核，本工程结构抗震性能目标达到设定要求。

5、结束语

综上所述，本工程在结构设计中采用概念设计方法，根据抗震原则及建筑特点，首先对整体结构体系及布置进行仔细的考虑并作优化，使之具有良好的结构性能。抗震设计中采用性能化设计方法，除保证结构在小震下完全处于弹性阶段外，还补充了主要构件在中震、大震下作用下的性能要求，再采取多种计算程序进行了弹性、弹塑性的计算，计算结果表明，多项指标均表现得较为良好，基本满足规范的有关要求；使可控制的不规则程度得到基本有效控制。同时又通过概念设计及各阶段的计算程序分析结果，对关键和重要构件作了适当加强，在构造措施方面亦相应作了处理。本工程除能够满足竖向荷载和风荷载作用下的有关指标外，结构抗震性能目标达到设定水平，因此可以期望本工程结构体系在遭遇地震作用时能达到小震不坏，中震可修，大震不倒的抗震设防目标。

参考文献：

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[2]《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（建质[2010]109号）.

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[4]陈达锋.某高位转换超限高层建筑结构抗震设计[J].工程抗震与加固改造，2013，4：67-75.

[5]王丽霖.我国高层建筑抗震结构设计初探[J].山西建筑，2011，（03）.