某超高层办公楼结构超限分析

摘要：针对某超限高层办公楼，采用两个软件对结构进行多遇地震作用下的比较分析，并采用PUSH &EPDA软件对结构进行罕遇地震作用下的分析，通过比较分析，对结构的薄弱部位提出针对性的加强措施。

关键字：超限判定 抗震性能目标 针对性加强措施

1 工程概况

本项目由4栋高层商住楼和4栋超高层办公楼组成;以地下室顶板作为上部8栋高层建筑和独立商业的嵌固端;本次设计施工的为其中的一栋超高层办公楼;采用框架-核心筒结构;嵌固端以上高161.0m。嵌固端以下，共两层地下室，总高度12.100m。

本项目场地地震基本烈度为7度（0.1g），设计地震分组为第二组，建筑场地类别为II类。地面粗糙度类别为B类，50年一遇基本风压为0.30kN/m2。 结构超限判定及抗震性能目标

2.1超限判定

本工程为平面及竖向规则性不超限、高度超限的B级高度的超限高层建筑。本工程虽然规则性不超限，但存在如下不规则情况：1）最大水平位移与平均位移比值1.31大于1.2，属于扭转一般不规则。 2）底层右侧入口大堂楼板局部上抬，5轴线上框架柱形成局部错层柱。

2.2结构抗震性能目标

按建设部颁布的超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点精神，根据《高规》3.11.1条的条文说明，房屋高度超过A级高度或者规则性超过适用范围较少时，可考虑选用C级或D级性能目标;本项目为平面一般扭转不规则和竖向较规则且超过A级高度限值较小的B级高度高层建筑，故选用《高规》中D级性能目标即多遇地震时满足性能水准1，设防烈度地震时满足性能水准4，预估的罕遇地震时满足性能水准5。

3 结构分析

本工程采用两个力学模型的结构分析软件进行整体计算，应采用弹塑性静力或动力分析方法补充计算。

本工程使用SATWE（2010版）以及MIDAS BUILDING 2010进行多遇地震作用下以及风荷载作用下的结构分析;采用PUSH&EPDA对结构进行设防烈度以及罕遇地震作用下的静力弹塑性分析。

3.1 多遇地震作用分析

3.1.1反应谱法主要分析计算结果

（ 1 ） 周期和振型

SATWE与MIDAS Building计算的前3个振型周期计算结果如下：

振型

SATWE

MIDAS Building

（秒）

振动方向

（秒）

振动方向

T1

4.4213

Y

4.2592

Y

T2

3.1396

X

3.0421

X

T3

2.9889

θZ

2.8473

θZ

Tt/T1

0.68<0.85（满足规范要求）

0.67<0.85（满足规范要求）

注：振动方向X、Y和θZ分别为X方向平动、Y方向平动和绕Z方向扭转。

从上表可以看出，SATWE和MIDAS Building两种模型计算出的结构周期基本一致（MIDAS Building计算的周期结果略短）。第一振型为Y方向平动，第二振型为X方向平动，第三振型为扭转振动，T3/T1=0.68（0.67）

（2）层间位移角

SATWE与MIDAS Building计算地震作用下的层间位移角结果如下：

由以上图表可以看出，SATWE和MIDAS Building两种模型计算出的结构层间位移角结果基本一致（MIDAS Building计算的层间位移角结果略小）。结构两个主方向的弹性最大层间位移角均小于1/750，满足《高规》第3.7.3条要求。

（3）受剪承载力比

由上图可以看出，SATWE和MIDAS Building两种模型计算出的结构楼层受剪承载力之比结果基本一致。结构两个主方向的最小受剪承载力比：X向：0.90（0.98）>0.8;Y向：0.91（0.99）>0.8，满足《高规》第3.5.3条的要求，结构不存在薄弱层。

3.1.2 反应谱法分析小结

经以上分析，SATWE与MIDAS Building两种软件分析的各项指标大小及变化规律基本一致，分析结果能真实反映结构的在弹性阶段的受力和变形状态;结构各项分析结果均满足现行国家规范及规程的要求。

从反应谱分析结果可以看出，结构具有合适的刚度，整体稳定性符合要求。两种软件计算结果均满足各种工况下的规范要求且具有较好的一致性，符合工程经验与力学概念所作出的判断，分析结果真实可信。程序的计算结果可以作为本工程的设计依据。

3.2静力弹塑性分析（push-over）

为与“中震可修”，“大震不倒”的抗震设防目标相对应，本工程采用中国建研院PUSH &EPDA软件对建筑结构进行了第二阶段抗震设计，即设防烈度地震与罕遇地震作用下的结构弹塑性变形验算。

3.2.1静力弹塑性分析结果

（1）结构推覆曲线

图3.2.1显示了X向和Y向在侧向力分布方式下推覆分析的顶点位移和总推覆荷载的关系曲线，可以看到推覆过程中结构顶点位移的变化过程。从图中可以看出，当水平推覆力由零增加到相当于设防烈度地震作用时，位移-荷载曲线基本保持直线，说明结构的整体性能仍接近弹性，塑性发展范围有限。在靠近罕遇地震时开始显示上升变缓，这说明结构出现部分塑性发展，侧向刚度下降。但是仍然保持向上的趋势，说明结构仍具有稳定的抗侧推能力。

（2）需求谱与能力谱

静力推覆曲线（顶点位移-荷载曲线）经转换成周期-加速度谱（能力曲线）后，与7度罕遇地震需求谱曲线相交，说明结构能够满足抗震设防要求;由交点向上与周期-最大层间位移曲线相交，所对应的纵坐标表示了设防烈度或罕遇地震作用下结构的最大弹塑性层间位移角;由图3.2.2，可以看出性能点处结构的最大层间位移角都能满足抗震规范1/100的限值要求。

3.2.2静力弹塑性分析结论

静力弹塑性推覆分析结果表明：

（1）当水平推覆力达到相当于“多遇地震”水平时，位移-荷载曲线基本保持直线，说明结构的整体性能保持弹性;当加载至相当于“设防烈度地震”水平时，竖向构件基本保持弹性，部分水平构件进入屈服，出现塑性铰，即可以满足规范“中震可修”的设防目标;当加载至相当于“大震”水平时，塑性铰发展，侧向刚度下降，推覆曲线逐渐趋向平稳，表现出明显的塑，但是仍保持向上的趋势，说明结构仍具有稳定的抗侧推能力。在大震作用下，结构的弹塑性位移角（X向：1/334，Y向：1/169）能够满足规范不大于1/100的要求，符合“大震不倒”的设防要求。

（2）框架梁与筒体连梁首先开裂和出现塑性铰，作为结构的耗能构件，达到预期控制目的。

（3） 随着加载步数增加，结构底部加强区核心筒剪力墙形成较多受拉裂缝，而作为第二道防线的框架柱在整个推覆过程中均未出现塑性铰。

（4）结构总体上在中震时基本处于弹性状态，大震时中等损坏具有较强的抗倒塌能力，抗震性能优于规范要求。

4 针对性的设计措施和抗震加强措施

4.1 针对性的设计措施

1）采用SATWE与MIDAS BUILDING两种软件对结构进行分析，并对其结果进行比较。两个软件在整体结构计算结果中各控制参数较吻合;

2）采用SATWE进行弹性时程分析，时程分析显示的结构反应特征、变化规律与振型分解反应谱法分析基本一致;

3）Pushover静力弹塑性分析结果表明：中震作用下，结构基本处于弹性;大震作用下，层间位移角能够满足规范的限值;裂缝的开展情况、塑性铰的形成特点均能反映大震作用下，耗能构件（如连梁、框架梁）优先出现塑性铰的特点;框架柱在整个推覆过程中均未出现塑性铰，能够满足抗震性能目标的要求。

4.2抗震加强措施

1） 本工程为B级高度高层建筑，通过调整结构布置及构件截面，尽量减少结构不规则及不规则程度，从概念上保证结构抗震的合理性;结构整体按照《高层建筑混凝土结构技术规程》的B级建筑采取抗震措施;

2）针对结构高度超限问题，选择《高层建筑混凝土结构技术规程》3.11.1条中的性能目标D进行性能设计;

3）为了增加塔楼框架柱的延性，对剪跨比小于1.5的框架柱，配箍特征值相对于规范提高0.02，且采用直径12、间距100的复合箍筋，并控制轴压比不大于0.75; 对剪跨比小于1.5且轴压比大于0.6的框架柱，在上述措施的基础下增设芯柱（配筋率不小于0.8%）。

4）针对开洞面积较大的核心筒筒体内部，板厚设置为140mm，配筋双层双向，单层单向配筋率不小于0.25%;

5）错层处框架柱采取比一级更严格的抗震构造措施;

6）根据PUSHOVER计算分析，底部加强区剪力墙水平及竖向分布钢筋的配筋率提高至0.40%;

7）加强核心筒墙体变形能力，核心筒外圈连梁配置交叉斜筋（宽度小于400大于250）或对角斜筋（宽度大于等于400）;核心筒底部加强部位约束边缘构件按照《高层建筑混凝土结构技术规程》9.2.2条约束边缘构件沿墙肢的长度取墙肢截面高度的1/4进行设计，底部加强区以上筒体四角设置约束边缘构件，约束边缘构件的配箍特征值相对于规范提高0.02;对截面高度与厚度之比小于4的剪力墙按框架柱进行截面设计。