银海湾超限高层结构设计

[摘要]根据2010年新版规范，采用基于性能设计的设计方法，对三栋建筑高度为158.45米的住宅楼进行了抗震抗震设计分析，介绍了小震弹性、中震弹性、中震不屈服、大震不屈服、大震弹塑性的设计方法，并介绍了超限抗震设计方法及加强措施，通过银海湾项目的超限分析，介绍了性能设计方法。

[关键词]超B级高度的超限设计；框支剪力墙结构；性能目标；静力弹塑性分析；超限高层抗震性能分析方法

1工程概况

银海湾项目位于珠海市香洲区港湾大道银坑段，由三栋建筑总高度超150米的住宅以及会所组成，总建筑面积约19万平方米，总平面图、效果图详见图1、图2。

图1 总平面图

图2 效果图

2自然条件及结构布置

本工程建筑物的设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，抗震设防类别为丙类，设防烈度为7度，地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类,阻尼比为0.05，水平地震影响系数为0.08。风荷载取100年重现期的基本风压0.90kN/m2，地面粗糙度类别为B类。

根据建筑物的使用要求，抗震设防及场地条件综合分析，结构体系采用框支剪力墙结构，转换层结构详见图3。

图3 转换层结构平面图

3结构超限情况

本工程属于《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010[1](以下简称《高规》)和《建筑抗震设计规范》GB50011-2010[2] (以下简称《抗规》)规定的超B级高度高层建筑；同时存在框支层，也属于竖向构件不连续；另外还存在楼板不连续和侧向刚度突变的一般规则性超限，但不存在严重不规则，综和分析本工程属于高度超限和一般规则性超限工程，需报超限高层建筑工程抗震设防专项审查，进行性能设计。

《高规》中对性能设计提出了如表1要求，每个性能目标均与结构抗震性能水准相对应。

结构抗震性能目标表.1

性能目标

地震水准 A B C D

多遇地震 1 1 1 1

设防烈度地震 1 2 3 4

预估的罕遇地震 2 3 4 5

《抗规》也对性能设计做了类似的要求。

针对超限情况，综合考虑设防类别、设防烈度、场地条件、结构特性、建造费用、震后损伤和修复难易程度等各方面因素，结合《高规》和《抗规》规定，设定本工程抗震性能目标为性能C。性能目标C是指小震下满足结构抗震性能水准1的要求，中震下满足性能水准3的要求，大震下满足性能水准4的要求，设定目标详见表1.

根据超限情况和设防目标，结合实际情况，采用量化的分析手段使结构满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三设防水准，通过分析论证，找出结构的薄弱位置，并采取针对的加强措施。

抗震设计性能目标（C级）表1

地震烈度

（50年超越概率） 多遇地震

（63％） 设防烈度

（10％） 罕遇地震

（2％）

规范规定的抗震概念 小震不坏 中震可修 大震不倒

最低抗震性能要求 第1水准 第4水准 第5水准

允许层间位移角 1/800 1/120

构件抗震设计目标 关键构件 框支梁、柱 弹性 中震弹性1

大震不屈服

框支层重要框架梁、柱 弹性 中震弹性1

大震不屈服

框支层落地剪力墙框支层以上底部加强区剪力墙 弹性 中震弹性1

抗剪大震不屈服

抗弯允许（局部）进入塑性

框支层以上框架柱 弹性 中震弹性1

抗剪大震不屈服

框支层以上底部加强区框架梁 抗弯允许进入塑性

楼板 弹性 钢筋不屈服

耗能构件：连梁 弹性 抗弯允许多数进入塑性 允许进入塑性

抗剪不屈服

普通框架梁 弹性 抗弯允许少数进入塑性 允许进入塑性

抗剪不屈服

普通竖向构件（剪力墙） 受弯 弹性 中震不屈服 允许（局部）进入塑性

受剪 弹性 中震不屈服 允许（局部）进入塑性

说明：1表示在没有风荷载参与组合情况下，地震力不考虑调整系数，但考虑荷载分项系数，满足材料设计强度的要求。

②表示在大震状态下楼板钢筋的性能目标是钢筋不屈服，中震状态同样也能满足中震可修。

MIDAS同SATWE小震计算结果对比 表2

计算软件 SATWE MIDAS

总重量(t) 136529.750 132736.739

结构基本自振周期 周期

(秒) 平动系数

（X+Y） 扭转

系数 周期

(秒) 平动系数

（X+Y） 扭转

系数

T1 3.5484 0.95+0.01 0.04 3.6803 0.98+0.01 0.01

T2 3.2844 0.01+0.99 0.00 3.2124 0.01+0.98 0.01

T3 3.0162 0.05+0.00 0.95 3.1035 0.00+0.01 0.99

扭转第一自振周期/平动第一自振周期 0.850 0.843

X向 Y向 X向 Y向

风载下位移 最大Δu/h(楼层) 1/1788(16F) 1/901(29F) 1/1984(17F) 1/1095(29F)

地震作用下位移 最大Δu/h(楼层) 1/1379(20F) 1/1368(33F) 1/1554(18F) 1/1833(31F)

偶然偏心下的最大水平位移

或层间位移与其平均值之比 1.29(47F) 1.30(8F) - -

结构底层(6F)地震作用力（剪重比） 16944.15

（1.60%） 17375.99（1.64%） 15445.98

（1.60%） 15554.637（1.60%）

与上一层侧向刚度的70％的比值或与上三层侧向平均刚度的80％的比值的较小值

(层数) 0.8804(6F) 0.8554(6F) 0.724(6F) 0.823(6F)

与上层抗剪承载力的比值的最小值(层数) ＞0.8 ＞0.8 - -

架空层上部与下部结构等效侧向刚度比

(剪弯刚度) 0.8331＜1.3 0.6047＜1.3 - -

结构底层(6F)总地震倾覆力矩（kN.m）

（框架柱承担比例） 1213342.38（12.52%） 1230852.38 (3.95%) 1140457.253

(8.68%) 1136355.912

(3.09%)

结构整体稳定验算的刚重比 4.59 5.55 - -

有效质量系数 99.83% 99.58% 93.96 % 92.25 %

墙柱最大轴压比 0.50(7F墙) 0.68(8F柱) - -

4结构分析计算

4.1计算介绍

本工程超限高层建筑，采用SATWE、MIDAS两个软件进行弹性静力分析、采用SATWE软件进行了弹性动力时程分析、中震弹性分析、中（大）震不屈服分析，采用MIDAS软件进行弹塑性静力分析（PUSHOVER），采用MIDAS软件进行大震作用下的楼板应力分析。通过分析以验证结构能否满足抗震设防标准，并找到结构薄弱位置，制定针对性地加强措施。

4.2小震弹性分析

采用空间结构分析程序SATWE软件进行多遇地震（小震）作用分析，采用MIDAS软件进一步分析计算作为参考对照比较。计算结果均满足规范要求，未出现原则性冲突或矛盾的结果，表明计算结果是可信的，同时说明结构体系、结构布置和构件尺寸基本合理。通过以上分析，我们认为本工程结构布置和受力形态基本合理，各部分构件能够实现多遇地震下满足性能水准1要求。计算结果比较详见表2。地震作用下层间位移角比较见图3。

图3 X层间位移角比较Y层间位移角比较

4.3中震分析

中震不屈服分析时考虑的主要因素：1、采用SATWE软件进行中震不屈服验算，αmax调整到0.23，点取中震不屈服验算；2、结构阻尼比采用0.05；3、荷载分项系数均取1.0（组合值系数不变）；4、不计结构抗震的内力增大系数、结构的抗震内力调整；5、中梁刚度放大系数1.4。6、不计算风荷载；7、材料强度取标准值；8、抗震承载力调整系数取γre=1.0。

在设防烈度地震作用下（αmax=0.23时）经中震不屈服验算，耗能构件满足性能目标，普通竖向构件满足性能目标。

结果表明按小震结果设计，按规范采取构造加强措施，可以保证在中震作用下，满足规范“中震可修”的抗震设防目标,基本能够保证中震作用下性能水准3的目标。

4.4大震分析

结构在较大的地震作用下某些部位要发生屈服甚至破坏退出工作，从而结构的工作状态会从弹性过渡到弹塑性，随着塑性的发生和发展，结构的反应性能会发生改变，应此需要考虑结构进入非线性状态的地震反应分析。经过非线性分析后，通过出铰顺序判断“强柱弱梁”、通过铰类型判断“强剪弱弯”；通过弹塑性层间位移角验算结构大震下的位移是否满足规范要求通过对结构、构件的承载能力和延性的判断进行性能设计(调整线弹性设计结果)。

通过MIDAS进行拉PUSHOVER分析，塑性铰类型选取FEMA铰（塑性铰位移限值详见图4），荷载加载模式采用模态形式，初始荷载为1.0DL+0.5LL。MIDAS性能曲线详见图5，位移曲线详见图6。

图4FEMA铰塑性铰位移限值

各阶段性能点对应的含义：

A点：未加载状态。B点：出现塑性铰。

IO=直接居住极限状态(Immediate Occupancy)

LS=安全极限状态(Life Safety)

CP=防止坍塌极限状态(Collapse Prevention)

C点：开始倒塌点。E点：最大变形能力位置。

图5X向性能曲线Y向性能曲线

图6X向性能点层间位移Y向性能点层间位移

通过分析，弹塑性需求谱与能力谱相交得到罕遇地震作用下的性能点，从图中可知：

（1）从能力谱上可以看到，结构有足够的抗倒塌能力，能抵御罕遇地震作用，同时有一定的上升空间，保证“大震不倒”。

（2）在罕遇地震作用下，最大层间位移角分别为X向1/212，Y向1/270，整移满足规范限值1/120的要求。

通过分析，认为本工程在大震作用下关键构件能满足大震不屈服，部分连梁、框架梁、普通竖向构件出现明显裂缝，进入塑性，但大部分竖向墙体仍处于弹性状态，基本能够瞒足设定的性能目标，可以实现罕遇地震作用下的性能水准4。

5针对性的加强措施

通过对结构的中、大震性能分析，对关键构件（框支框架、落地剪力墙）以及底部加强区剪力墙进行大震作用下的承载力复核，使之较小震、中震阶段有较大的提高，施工图设计按性能设计要求配筋；

（1）部分底部加强区采用型钢混凝土框支柱、钢骨混凝土梁及钢骨混凝土剪力墙，剪力墙钢骨伸至7层楼面（底部加强区）。

（2）钢骨含钢量大于6.0%，并满足钢砼承载力比率大于0.10,框架柱钢筋配筋率大于1.0%；

（3）加大底部加强区剪力墙配筋率：0.6%。

（4）剪力墙约束边缘构件设置的范围取至7层楼面，配筋率为1.4%~1.5%(规范1.4%),体积配箍率加大至2.2%(规范1.83%)。

（5）底部加强区约束边缘构件钢筋采用三级钢筋，增强剪力墙的极限抗弯能力；

6.结束语

本工程超限高层建筑，采用SATWE、MIDAS两个软件进行弹性静力分析、采用SATWE软件进行了弹性动力时程分析、中震弹性分析、中（大）震不屈服分析，采用MIDAS软件进行弹塑性静力分析（PUSHOVER），采用MIDAS软件进行大震作用下的楼板应力分析。结果表明，各项控制指标符合规范要求。经针对性采取特别的抗震加强措施后，本工程可以满足预先设定的性能目标，可以满足使用功能的要求，并满足“小震不坏，中震可修，大震不倒”的安全性要求。

本工程经过上述详细分析，得到超限专家的一致认可，顺利通过了超限审查。说明类似工程采用规范的计算方法和构造措施，是行之有效的。但对于不同工程，需要根据具体实际情况、超限部位，采取针对性的计算和加强措施，才能满足安全性和合理性。

参 考 文 献

[1] 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。

[2] GB50011-2010建筑抗震设计规范[S]，北京，中国建筑工业出版社，2010。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。