超限高层建筑结构分析

摘要:某工程具有B级高度、侧向刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续等超限问题。文章以其为案例，分析其结构抗震性能及不规则程度，并运用基于性能抗震设计的方法，从宏观上提出结构抗震性能目标。通过弹塑性时程分析研究结构在大震下的塑性铰出现顺序和各构件的破坏情况，进而研究结构的耗能机构和破坏机制，判定薄弱部位并采取有效的抗震措施，以达到预期的性能目标和性能水准。结构分析结果表明，该结构各项指标均符合国家规范要求，具有良好的抗震性能，基于性能的抗震设计方法是合理有效的。

关键词:超限高层;性能抗震设计;弹塑性时程分析;塑性铰

1工程概况

该工程位于成都市龙泉驿区世纪广场的东北方向，占地面积约1．33hm2，地块呈较规则的矩形;地上36层，地下2层，建筑总高度169m，总建筑面积约为88018m2。大楼使用功能设定为甲级写字楼，其中地下一层、二层为汽车库及设备用房、厨房;地上一层为大楼门厅、管理用房等;二～三层为餐厅;四～六层为茶房、健身、会议;七～三十三层均为办公(十四、二十六为避难层，二十五层为会议层);三十四层为避难层和设备层;三十五层为会所层;三十六层为会所夹层。地下室底板顶面埋深－10.800m。房屋层高:地下室为5.4m，七层及以下为5.4m、4.5m，上部塔楼主要为4.0m，个别楼层为4.5m、5.4m。

2结构设计

丙类建筑，安全等级为二级，设计使用年限为50年。设防烈度7度(0.10g)，设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类，场地特征周期取0.45s，多遇地震影响系数最大值取αmax=0.094(根据安评报告);地面粗糙类别为B类，基本风压取为0.35kN/m2(按100年重现期的风压值)。

2.1塔楼

该工程建筑总高度为169m，为B级高度的高层建筑。塔楼采用框架－核心筒结构，地面以上框架柱大多数为凸字形，框架柱截面从1300mm×1300mm逐渐变到1300mm×600mm，核心筒剪力墙厚度由800mm变到400mm。核心筒内部剪力墙厚度为200mm～300mm。框架柱及剪力墙混凝土强度等级为C60－C30。上部塔楼结构布置采用单向梁体系，梁间距2250mm，梁两端分别支承于核心筒和框架梁、柱上，角部为双向梁。办公区的建筑空间净空要求梁高不大于800mm，框架梁截面为400mm×750mm，内部框架梁截面为300mm×750mm。塔楼内楼板厚度100mm，会所及夹层楼板厚120mm，根据建筑功能要求，一层局部抽柱，采用型钢混凝土梁柱转换。

2.2地下室

该工程塔楼与地下室连成整体，地下室采用框架结构现浇梁板体系。柱混凝土强度等级为C60，梁板混凝土强度等级为C30。地下一层板厚120mm;一层作为塔楼的嵌固层，板厚180mm。

2.3结构抗震等级

该工程塔楼及塔楼地下室框架的抗震等级为一级、剪力墙为一级;塔楼外地下框架抗震等级为三级。

2.4地基基础

该工程塔楼采用桩筏基础，筏板厚3.0m，桩为人工挖孔桩，桩长20m，桩身直径1.5m，桩底扩大头4m，以中风化～微风化泥岩为桩端持力层，单桩承载力23950kN，间距5.5m梅花型满堂布置。纯地下室采用柱下独立基础加防水板，置于粘土层上，地基承载力特值fak不小于220kPa。

3超限情况

［1］(1)该工程属于B级高度的框架核心筒结构。(2)不满足规范“相邻层刚度变化不大于70%或连续三层变化不大于80%”的要求，但很接近。(3)竖向构件不连续，在二层抽了两根柱，采用型钢桁架，型钢柱转换。

4抗震性能目标

该工程的超限情况主要为高度超限，沿建筑设较密的框架柱，虽不满足筒中筒的条件，但近似筒中筒的工作机理。抗震性能较好，故将抗震性能目标预定为D级［3］。(1)小震:主体结构震后不受损坏，允许个别延性构件出现轻微裂缝，不需修理即可继续使用。(2)中震:主体结构震后产生一定的损坏，重要构件轻微损坏，连梁及框架梁等耗能构件出现中等程度损坏，有明显的裂缝;经过一般性修理后仍可继续使用。(3)大震:主体结构震后发生明显损坏，大部分构件进入屈服，有明显的裂缝;连梁及框架梁等耗能构件严重损坏;结构不发生倒塌，人员生命安全可以得到保证。

5结构计算分析

5.1整体计算结果

采用SATWE和PMSAP两种软件进行结构弹性阶段的计算分析，并将两者计算结果进行对比分析，采用合理值进行设计如表1所示

5.2弹性计算分析

(1)扭转周期比为0.69，说明结构扭转效应不大，结构抗侧力构件布置较合理。(2)最大扭转位移比为1.19，说明结构扭转刚度较好，结构平面布置较好。(3)结构前两个周期均为平动周期，振型分布合理，衰减较快，达到了较理想的效果。(4)层间位移角曲线平滑，无突变，结构竖向刚度均匀，无明显薄弱层。(5)柱的最大轴压比为0.73，剪力墙的最大轴压比为0.50，如图2所示。轴压比控制较好，可以保证在大震下结构的延性。(6)从SATWE和PMSAP两种不同力学计算模型的弹性计算结果可以看出，其主要计算指标比较吻合，无明显差异，构件的配筋基本一致。计算结果与概念设计的预期基本一致，证明计算结果的正确性。

5.3时程分析

(1)采用SATWE的弹性动力时程分析程序进行多遇地震下弹性时程分析，按建筑场地类别和设计地震分组选用了SATWE地震波库中的两组实际地震记录(TH1TG045和TH2TG045)和《场地地震安评报告》提供的拟建场地的两组场地人工模拟加速度时程曲线(P5063－1和P5063－2)。由于实际地震记录偏小，对两组实际地震记录的地震力取放大系数2。多遇地震弹性时程分析结果表明:每条时程曲线计算所得结构底部剪力不小于振型分解反应谱法的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法的80%，计算结果满足“高规”4.3.5条的要求。(2)采用EPDA软件进行了整体结构的中震动力时程分析，选取一条人工波(P5010－1)和一条天然波(TH1TG045)，时间步长0.02s，阻尼比为0.05。分析结果表明，框架柱完好无损，核心筒剪力墙顶部出现裂缝，但不严重;部分构架及框架梁端有明显的裂缝，进入屈服阶段，如图4所示，可以实现中震可修的目标.(3)采用EPDA软件进行了整体结构的大震动力时程分析，选取一条人工波(P502－1)和一条天然波(TH4TG045)，时间步长0.02s，阻尼比为0.05，如图3所示。分析结果表明，大震下结构塑性层间位移角满足规范要求，核心筒剪力墙出现一定数量的裂缝，但不严重，塑性铰主要出现在剪力墙连梁或框架梁端上，如图3所示，为理想的“梁铰”机构，具有良好的耗能能力，达到性能设计的目标。

5.4性能抗震设计分析

(1)通过大震下的塑性铰分布图，并结合图4和图5可以看出，随着时程分析的进行，顶部混凝土构架梁端首先出现塑性铰，接着顶部剪力墙出现受拉裂缝，而后框架梁端和核心筒连梁大量出铰，最后底部剪力墙部分出现受压裂缝。(2)梁的塑性铰主要出现在框架梁和核心筒连梁处，出现大量破坏。墙体有受压(结构底部)，受拉破坏(结构顶部)，但未出现大量破坏。框架柱完好，未出现破坏。(3)以上分析可见，框架梁和核心筒连梁作为结构的第一道抗震防线，出现大量破坏，吸收和消耗掉大部分地震能量，为合理的“梁铰”耗能机构和破坏机制。剪力墙作为结构的第二道抗震防线，墙体顶部和底部出现裂缝，但未出现大量破坏，可判定为结构的“薄弱部位”，设计时对该部分采取有效的加强措施。框架柱完好，分析原因为严格控制了柱的轴压比，安全储备较多。

5.5性能抗震设计目标实现情况

(1)小震:弹性时程分析的结果与振型分解法的结果基本一致，结构完好损伤，不需修理即可继续使用，能够实现小震的设计性能目标。(2)中震:核心筒剪力墙顶部出现了轻微的损坏，连梁及框架梁等耗能构件发生中等损坏，进入屈服阶段，整体结构基本完好，经修理后可继续使用。设计时，按中震不屈服和小震弹性计算结果的较大值进行剪力墙薄弱部位的设计，进一步提高整体结构的抗震性能，以满足中震的性能设计目标。(3)大震:核心筒剪力墙底部和顶部出现部分裂缝，但不严重。连梁及框架梁大量出现塑性铰，形成了良好的耗能机构。对剪力墙薄弱部位采取加强措施后的墙体塑性区域明显较少，且通过从严执行《高规》第7.2.16条关于B级高度结构剪力墙的相关规定［2］，使得整体结构的延性得到一定的提高，具有更好的抗震能力，保证了大震下“坏而不倒”的性能目标D的要求，且结构的实际抗震性能目标接近C级。

6超限的处理措施及对策

6.1针对房屋高度的超限及薄弱部位，采取以下措施

(1)结合建筑造型，沿建筑设较密的框架柱，从计算结果看，设密柱后结构侧向刚度较大，最大位移值和层间位移角均较小，有效提高了建筑的安全度和舒适性。(2)加强核心筒底部加强区及顶部三层墙体的竖向构件设计。①该部位墙体最小配筋率提高到0.3%，约束边缘构件纵向钢筋最小构造配筋率提高到1.3%，配箍特征值放大1.1倍。②塔楼底部加强区的框架柱全高采用井字复合箍，且不小于，以提高框架柱的延性。柱全部纵向钢筋最小构造配筋百分率提高到1.2%;最小配箍特征值比规范规定值提高0.01。严格控制加强区框架柱的轴压比不超过0.7［2］。(3)其余位置的剪力墙从严执行《高层建筑混凝土结构技术规程》第7.2.16条关于B级高度结构剪力墙的相关规定。

6.2针对“相邻层刚度变化不大于70%或连续三层变化不大于80%”的超限

(1)按规范要求薄弱层地震剪力放大为1.15倍。(2)相关楼层的墙体最小配筋率提高到0.3%，约束边缘构件纵向钢筋最小构造配筋率提高到1.3%，配箍特征值放大1.1倍。(3)相关楼层的框架柱全高采用井字复合箍，且不小于，以提高框架柱的延性。柱全部纵向钢筋最小构造配筋百分率提高到1.2%;最小配箍特征值比规范规定值提高0.01。6.3竖向构件不连续，在二层抽了两根柱(1)采用型钢桁架，型钢柱转换，增加构件的延性。型钢梁柱刚接，型钢柱一直延伸至基础，自成稳定体系。(2)加大与转换桁架相接的框架梁配筋。(3)加厚转换桁架上下弦杆处楼板为150mm，且提高楼板的配筋率到0.5%，以加强对桁架的平面外约束。7结语本文详细论述了该项目的超限情况、结构设计、弹性计算分析、弹塑性时程分析、基于性能的抗震设计分析，以及针对薄弱部位和超限情况所采取相对应的抗震措施等内容。结构分析结果表明，该结构各项指标均符合国家规范要求，具有良好的抗震性能。本文基于性能抗震设计的分析应用是合理有效的，可为同类超限工程提供一定的参考意义。

参考文献

［1］建质［2015］67号．超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点［S］．2015．

［2］JGJ3－2010高层建筑混凝土结构技术规程［S］．北京:中国建筑工业出版社，2010．

［3］罗军．某典型超限高层酒店基于性能的抗震设计方法应用［J］．福建建筑，2015(1):47－52．

作者：卢登榜 单位：福建省万博宇建设技术开发有限公司