超限高层结构抗震计算分析及结构设计

【摘要】本文结合某复杂超限高层建筑结构，采用结构空间有限元分析软件对该超限高层结构进行抗震计算以及分析，根据所得到的结构自振特性、层间位移等计算结果以及现行规范对该高层结构进行超限评估。评估结果表明，本超限高层结构设计中所采取的抗震计算分析要点以及相应抗震构造措施对于实现超限要求相当有效，为实现超限高层结构及关键技术措施提出借鉴。

【关键词】超限高层结构；复杂结构；抗震计算分析；平立面规则性

1 工程概况

本项目位于南京市浦口区，处于柳州路与滨江大道交汇处。拟建威尼斯水城第三街区由T2、T3、T4、T6、T8号楼住宅楼、商业网点、会所、地下车库组成，其中T3，T4，T6，T8号楼高层住宅均由3个单元组成，在±0.000标高以上各单元之间均设防震缝分开。其中T2为超限高层住宅，其超高层住宅的具体层数、高度、单元组成、结构形式、基础形式等见表1所示。基本风压按100年重现期取为0.45kN/m2，雪压按50年重现期取为0.65kN/m2。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计分组第一组，场地类别Ⅲ类，特征周期0.50S（由地质报告提供）。结构安全等级均为二级，设计使用年限为50年，建筑抗震设防类别为标准设防类（丙类）。

拟建场地在勘探深度内全为第四纪全新统新近沉积土层。在83m深度内所揭露的土层，按其沉积环境、成因类型，以及土的工程地质性质，自上而下分为4大层，13个亚层。场地内及其附近无污染源存在，地下水及地基土对混凝土结构无腐蚀性，对钢筋混凝土结构中钢筋有弱腐蚀性。场地浅层20米深度范围内存在②-1、②-3、②-4、②-5饱和粉土、粉砂层层分布，综合判定场区为中等液化场地。②-1层桩周土摩阻力折减系数取1/3；②-3层桩周土摩阻力折减系数取2/3；②-4层桩周土摩阻力折减系数取1.0。由地基土特性发现，场地内⑤-2层中风化泥质砂岩，土性较好，其单桩承载力和变形可以满足高度接近150米的高层建筑设计要求，故选择⑤-2层中风化泥质砂岩作为超高层住宅的桩端持力层，桩型选用直径800mm钻孔灌注桩，单桩承载力特征值4600kN，桩基计算沉降量约40mm。

2 超限结构类型与布置

对于结构类型来说，高层建筑由于出现超限，所以其结构类型以及结构构件布置等相当讲究，这将决定超限结构是否能满足其抗震以及抗风等问题。为此，在考虑结构类型以及布置方面的加以考虑：

2.1 本主楼结构形式采用剪力墙结构，结构高度为145米，结构高度超过《高规》A级高度钢筋混凝土结构最大适用高度，但符合《高规》B级高度钢筋混凝土结构最大使用高度范围之内。主楼与地下车库连为一体，主楼±0.000标高设为嵌固端，为解决高层与地下车库之间差异沉降问题，主楼与地下车库在基础及顶板设置沉降后浇带，并严格控制主楼的绝对沉降，桩端持力层选择入中风化岩。主楼平面形态为Y字型，平面属于不规则形状，主楼核心筒与各单元入户之间采用廊桥形式刚性连接。核心筒区与各单元之间设天井以满足建筑采光通风所需。平面展开总长度约88米左右，为减少温度对结构的影响，主楼范围内设置了两条温度后浇带。

2.2 本项目建筑立面为典型的欧式风格，屋顶采用大面积屋顶构架，且高度较高，如采用砼浇筑，势必导致自重较大，顶部地震力鞭梢效应明显，且施工困难。在不改变其立面风格的前提下，大部分屋顶构架均采用钢结构制作，自重大大减轻，同时给施工带来较大方便，结构计算时按混凝土构架补充建模输入以考虑风荷载及地震力对下部结构的影响。

2.3 本工程核心筒区域与各单元入户之间采用廊桥形式连接，住宅左右单元与中间单元之间连接楼板宽度也较小，考虑到连接宽度较小以及核心筒区域开洞面积较大，廊桥及核心筒区域、住宅左右单元与中间单元结构楼板均做加厚处理，并在结构结算时定义为弹性楼板，真实反映楼板平面内刚度变化。立面上各层刚度基本均匀，44层立面收进面积不超过25%，48~49层立面收进超25%，属于竖向不规则，收进层数为2层且已经接近屋面。

3 超限高层结构计算分析要点

3.1 超限高层分析要点

按照《高规》第3.3.4条要求，7度区100米以上建筑应进行弹性动力时程分析，本次审查对主楼进行了弹性动力时程分析，按照《高规》第3.3.5条要求选取了五条天然波和两条人工波进行多遇地震下弹性动力时程分析，所选地震波由甲方委托中国地震局工程力学研究所提供。

计算分析结果主要包括动力特性分析（周期、振型、扭转周期比）、位移和扭转位移比分析（位移、考虑偶然偏心的扭转位移比）、质量分布分析、轴压比分析、刚度比分析（各层刚度比、地下室嵌固端上下刚度比）、地震剪力系数分析以及振型参与质量与总质量之比、舒适度验算以及各层轴压比简图。

3.2 本超限高层情况

由于本工程为复杂高层结构，因此按照《高规》第5.1.13条规定采用SATWE和ETABS两个符合实际情况且力学模型不同的三维空间结构分析软件进行整体内力位移计算。计算结果分析如下：

3.2.1 振型参与质量与总质量之比均在90%以上。

3.2.2 两种程序的扭转第一自振周期Tt（即计算结果中的第三周期T3）与第一平动周期T1之比均小于0.85，满足《高规》第4.3.5条的规定。

3.2.3 SATWE和ETABS两种程序计算的楼层层间最大位移与层高之比在X、Y两个方向均小于1/1000的限值。扭转规则性方面，两种程序计算的楼层最大水平位移（或层间位移）与该楼层平均值之比在绝大多数楼层均不大于1.2倍，个别楼层虽不满足，但也不大于1.40倍。

3.2.4 SATWE弹性动力时程分析结果表明，每条时程曲线计算所的结构底部剪力均不小于振型分解反应谱计算结果的65%,每条时程曲线计算所的结构底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱计算结果的80%。

由对以上主要计算指标的判断及各主楼计算分析结果的详细分析、比较可以看出，SATWE和ETABS两种程序的结构反应特征、变化规律基本一致，超筋部位、数量及超筋幅度亦大体相当，因此可以说本超限高层结构计算结果合理、真实。

4 超限高层结构抗震加强措施设计

对于超限高层建筑来说，必须采取合理有效的加强措施以满足其抗震要求。结合本超限高层结构以及笔者设计经验，总结了一些有效的加强措施如下：

4.1 计算措施

4.1.1 计算模型均考虑耦连，计及扭转影响。

4.1.2 主楼按照《高规》第5.4.4条规定进行了稳定性验算，满足要求。本结构计算结果表明，均可不考虑重力二阶效应。

4.1.3 对于平面形状为Y型，概念上加强两侧单元尾翼及南侧外墙侧向刚度，以提高结构的抗扭刚度，控制指标上从第一扭转周期与平动周期之比和楼层竖向构件最大弹性水平位移（或层间位移）与其平均位移之比两个方面严格控制，使其接面规则结构的要求，即使偶有超出，也是在某一个方向的个别楼层且超出不多。

4.1.4 对于廊桥及核心筒区域结构楼板连接宽度较小问题，计算上对该区域结构楼板分别定义为弹性楼板并分析楼板应力，并考虑性能设计，控制中震下此区域楼板在地震工况与恒活载组合工况下楼板主拉应力不超过混凝土抗拉强度，并控制大震工况下廊桥楼板抗剪截面控制条件。与连廊有关的一些关键梁柱受剪承载力按中震弹性控制，正截面承载力按中震不屈服控制。

4.1.5 对于时程分析结果比CQC法结果偏大问题及局部楼层剪重比不足1.6%问题，采取提高全楼地震力放大系数1.1倍，使得CQC法基底剪力与时程分析基底剪力基本吻合，同时使得各层剪力满足规范剪重比要求。

4.1.6 住宅左右两单元与中间单元结构楼板连接宽度较小问题，概念上适当加厚该区域楼板厚度，计算上对该区域结构楼板分别定义为弹性楼板并分析楼板应力。

4.1.7 对于48层立面收进超过25%问题，计算上考虑塔楼地震放大效应，提高结构抗震承载力。

4.2 构造措施

4.2.1 地下室顶板加厚，如本结构厚度均取为180mm，混凝土强度等级C30，采用双层双向配筋，且每层每个方向的配筋率均大于0.25%，楼板内钢筋锚固在墙体或边梁内。

4.2.2 地下室墙体厚度加厚至450mm，以满足地下室刚度不小于结构一层刚度的2倍，满足结构±0.000嵌固条件。

4.2.3 廊桥及核心筒与各单元入口连接区域竖向构件构造上抗震等级提高至特一级，轴压比限制控制在0.7，相关区域框架柱内设芯柱及提高配箍率、配筋率以提高结构延性能力。该区域结构楼板加厚至150~180mm不等，廊桥及核心筒区域梁板适当加强配筋率，控制中震下楼板混凝土抗拉强度不屈服，并控制大震工况下廊桥楼板抗剪截面控制条件。

4.2.4 对于楼梯间、电梯井以及楼板开大洞等，其周边布置剪力墙或设置边梁，将洞口附近楼板加厚并适当提高配筋率。

5 结语

本文结合某复杂超限高层建筑结构设计实例，对该超限高层结构进行抗震设计研究，研究结果表明，本超限高层结构设计中所采取的抗震计算分析要点以及相应构造措施对于实现超限要求相当有效，为实现超限高层结构提出借鉴。

参考文献

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