小高层商住楼抗震超限结构分析

摘要：本文结合工程实例，对平面不规则超限高层建筑，结构采取的技术措施，通过SATWE和PMSAP程序计算对比保证结构安全

关键词：超限小高层建筑；平面不规则 ； 抗震设计

中图分类号：U442.5+5 文献标识码：A

1 工程概况

小高层商住楼位于上海市，该地块地处市中心繁华区域。该公寓为地上11层的小高层商住楼，主楼一层和裙房为商店，二层以上为住宅。总建筑面积6351.26 平方米，建筑覆盖率

主楼为地上11层现浇钢筋混凝土剪力墙结构，平面形状大致呈L型，由于高层商住楼平面布置凹进尺寸超出《建筑抗震设计规范》的规定，属平面凹凸不规则类型，外伸尺寸超出《高层建筑混凝土结构技术规程》的规定，确定该公寓属平面规则性超限高层建筑，根据建设部和上海市有关规定，须经过上海市建筑工程抗震设防审查专家委员会审查批准后方可进行施工图的设计，本工程已于2003-2-27通过了上海市工程抗震办公室组织有关专家进行的结构抗震专项审查。

2结构超限

2.1超限准则

现行《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)、《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)针对建筑结构的高度、高宽比及平面和竖向规则性做有具体规定，主要相关内容如下：

.平面凹进的一侧尺寸不大于相应投影方向总尺寸的30％，楼板有效宽度不小于该层楼板典型宽度的50％，楼板开洞面积不大于该层面积的30％，不能有较大的错层。抗震设防烈度6,7度时，突出长度不大于相应投影方向总尺寸的35％ 即l/Bmax≤35%。

.在考虑偶然偏心影响的地震作用下，A级高度建筑楼层最大弹性水平位移与楼层两端弹性水平位移平均值之比及楼层竖向构件的最大水平位移与相应楼层平均位移之比不宜大于1.2倍，不应大于1.5倍。

.结构以扭转为主的最大周期与以平动为主的最大周期之比，Ａ级高度高层建筑不应大于0.9。

.楼层侧向刚度不小于相邻上一层的70％，不小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80％。局部收进的水平向尺寸不大于相邻下一层的25％。

2.2本工程超限情况

该公寓建筑平面中间部位最大凹进尺寸为4.5m,与相应投影方向总尺寸10.95m之比为41%，大于《建筑抗震规范》GB50011-2001第3.4.2规定的30%的限值;西北角平面局部外伸，其外伸长度6.3m与房屋总宽之比37%,大于《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002第4.3.3规定的35%的限值。故本楼属平面规则性超限的高层建筑。

3针对超限采取相应措施

建筑设计和建筑结构的平立面规则性是建筑抗震设计的一个重要控制指标，结构平面不规则、不对称、不连续易造成结构扭转脆性破坏，主要表现在变形受力较大薄弱的边缘竖向构件先受到冲击损坏，地震效应不断积聚，造成边缘竖向构件破坏，严重时可使局部甚至整体结构破坏倒塌。这种破坏不能实现结构耗能延性，对抗震十分不利，需严格控制结构的扭转不规则。扭转不规则，是结构平面不规则中最重要的控制指标。规范从限制结构平面布置的不规则性来避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应，防止结构扭转破坏。

控制结构扭转效应应从两个方面加以控制：

.扭转变形指标ε。

控制ε实质就是控制θL/2U，就是控制扭转变形与平动变形之比。《高层建筑混凝土结构技术规程》第4.3.5条的位移比限制：楼层最大弹性水平位移与楼层两端弹性水平位移平均值之比及楼层竖向构件的最大水平位移与相应楼层平均位移之比不宜大于1.2倍，不应大于1.5倍。

.扭转刚度指标。结构扭转振型及周期是其扭转刚度、扭转惯量分布大小的综合反映。《高层建筑混凝土结构技术规程》第4.3.5规定限制结构以扭转为主的最大周期与以平动为主的最大周期之比Tt/Tl，Ａ级高度高层建筑不应大于0.9。

注意结构的合理布置，提高抗扭刚度Kt与侧向刚度Kl的比值，就可减少Tt/Tl的值。

高层建筑扭转不规则结构控制，关键是通过调整结构布置尽量满足规范位移比和刚度比的要求，再通过抗震加强构造措施，设置多道抗震防线，满足抗震要求。对一些特殊的复杂高层建筑，无法避免突破规范扭转不规则指标时，结构可进行基于性能的抗震设计，但不能突破下列强制指标：

ε=Umax/U ≤1.8；Tt/T1

以下通过对高层商住楼结构的抗震计算及采取抗震加强构造措施的分析，来阐述超限高层商住楼结构设计的过程。

3.1结构计算

根据我国建设部《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》要求，超限高层结构要进行至少两个不同力学模型的三维空间分析软件进行整体计算。

.本工程结构分析采用中国建研院PKPM工程部的高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE及复杂多、高层建筑结构分析与设计软件PMSAP进行分析、比较。对于扭转不规则，采用考虑扭转耦联的振型分解反应谱法，计及扭转影响。反映结构整体扭转效应的主要控制指标的扭转位移比和结构周期比应符合相应的规定。严格控制楼层最大的弹性水平位移和层间位移的分别不大于楼层两端弹性水平位移和层间位移平均值的1.5倍；针对凹凸不规则，采取符合楼板平面内实际刚度变化的弹性楼板计算模型，在楼电梯间及中间凹口等开大洞的部位附近设置能真实计算楼板平面内与平面外刚度的“弹性楼板”计算模式，真实反应出相应部位的内力结果及截面配筋。

.计算结果分析

1).结构刚度分析。由结构的最大层间位移角X方向为1/1499, Y方向为1/1891满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)的1/1000的舒适度的要求，此时不应考虑偶然偏心的影响。结构的剪重比X方向为5.94%, Y方向为5.67%，均在较合适的范围内。

2).结构扭转效应分析

a.扭转变形指标ε即位移比

最大层间位移与平均层间位移比值X方向为εx=1.18, Y方向为εy=1.34。结构的上述数值均小于《建筑抗震设计规范》GB50011-2001规定的1.5倍。

b.扭转刚度指标

扭转周期出现在第三周期Tt/T1=0.71

此时应考虑单向偶然偏心及双向水平地震作用的影响。原因如下：由于地震作用不确定性，结构计算手段局限和计算模型与实际工作状态有差别，实际施工、使用会引起质量刚度偏心，因此应计入偶然偏心的影响。

当不计入偶然偏心的影响时，最大层间位移与平均层间位移比值ε>1.2时，表明结构质量、刚度明显不均匀，其平动振型与扭转振型耦联震动反应较大，双向水平地震作用将进一步增大结构扭转变形，为更好地控制结构的抗扭能力，此时要计入双向水平地震作用。在设计中，按不计入偶然偏心的影响验算过ε>1.2，按《建筑抗震设计规范》GB50011-2001第5.1.1规定应计入双向水平地震作用。

3）.SATWE与PMSAP计算结构的比较。

结构自振周期相当接近，扭转周期均出现在第三周期，且Tt/T1均小于0.85；结构顶点位移与层间相对位移相差较小；总质量、地震总剪力、剪重比等相当接近。

通过以上计算与分析，可以看出本工程高层住宅用两种程序计算的结果相差不大，总体上保持一致，均在规范规定的合理范围之内。总体说结构刚度较合理，虽然主楼Y方向存在扭转不规则εy=1.34，但其结构扭转效应能满足规范要求。楼板基本连续，具有良好的整体性；竖向抗侧力构件连续，侧向刚度沿高度变化均匀，无明显的结构薄弱层；结构变形上从顶点最大位移到楼层最大层间位移均满足规范要两种不同力学模型计算结果较吻合，在对结构薄弱部位采取一定的抗震加强措施后，可以认为结构满足规范要求安全合理。

3.2抗震概念设计及抗震加强措施

.增强建筑物周围刚度。由于建筑平面较为复杂，平面凹口深度较大，外伸较长，扭转效应明显。为了加强结构的抗扭刚度，对建筑物护墙体采取少开结构洞甚至不开结构洞的做法，适当弱化内部主体结构，用以增加结构抗扭转刚度，有利于缩短扭转周期，调整整个结构第一、二、三周期中扭转分量所占比例至合理范围，同时调整抗侧力构件布置使之均匀对称，减少结构质心与刚心之间的偏心，以减少结构的扭转效应。

.增强底部侧向刚度。对于楼底部一层由于建筑设置商场而增加层高，因此特意将底部一层剪力墙厚度增加为300mm，以加强其侧向刚度，使侧向刚度变化均匀。

.加强结构延性设计。通过对连梁等耗能构件加强其合理性配筋的设计，对剪力墙底部加强区增加配筋率、提高暗柱配箍率，限制剪力墙在重力荷载代表值作用下的轴压比，以及对结构位移较大部位加强其构件的延性等措施，以增加结构在地震下耗能能力。

.加强楼板的整体刚度。楼板是传递整个地震水平力的重要构件，因此我们对楼电梯间以及中间凹口部位附近的楼板均增加其板厚为120mm，并提高其配筋率。另外对纵向两端的楼板也增加其板厚、提高配筋率，以提高整体刚度，保证楼层水平地震力的正常传递。

.在楼层凹口处根据需要增设拉梁以及拉结板，并加强配筋，以改善此薄弱部位的刚度及延性，从构造上加强平面的连续性。

4结论

.在高层建筑设计早期方案阶段，运用抗震概念设计的理念，通过与建筑师、业主协调，调整结构布置，尽量做到平面及竖向不超限，使结构体系、结构体型的规则性及整体性满足规范的规定。

.如平面超限不可避免，应调整抗侧力结构布置，用加强周边弱化内部结构的方法，提高结构抗扭刚度，满足规范规定的扭转不规则指标即位移角和周期比的最大要求。

.通过改变剪力墙厚度的方法，避免结构竖向刚度的突变。

.抗震计算各项指标满足规范要求后，再对结构抗震薄弱环节进行抗震构造加强。

参 考 文 献

【1】中华人民共和国建设部GB 50011-2001建筑抗震设计规范 北京： 中国建筑工业出版社，2001。

【2】 中华人民共和国建设部JGJ 3-2002高层建筑混凝土结构技术设计规程北京：中国建筑工业出版社，2002。

【3】 徐培福.复杂高层建筑结构设计 北京：中国建筑工业出版社，2005。