某超限高层结构的抗震性能分析与设计

胡时猛，张兴杰，尤军

（机械工业第三设计研究院 重庆400039）

1 工程概况

重庆银行大厦工程位于重庆江北城片区A04-1/03地块，处在新兴的江北城CBD门户位置。工程场地大部分地段基岩出露，场地类别为I1，设计特征周期为0.25s，抗震设防烈度为6度，为建筑抗震有利地段。本工程地上33层，地下4层，房屋总高度147.4m，地下室深度19.4m，结构形式为框架—核心筒结构，其中基顶至21层塔楼范围内的框架柱采用型钢混凝土柱，裙房部分、塔楼21层及以上采用普通混凝土柱。建筑平面以双框筒相连形成矩形平面，标准层平面尺寸约为63.6m×37.3m，双框筒间净距为14.4m，中间采用普通梁板体系连接。下图分别为重庆银行大厦标准层结构平面图（图1）和建筑剖面图（图2）。

图1 标准层结构平面图

图2 建筑剖面图

由于建筑需要，中央大厅2~4层（图3）局部开洞，楼板不连续，导致Y向楼板基本断开，且开洞面积大于楼层面积的35%，均不满足《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》的相关规定，属于平面不规则超限。

图3 楼板局部开洞示意图

对此不规则的超限高层，在满足“小震不坏，中震可修，大震不倒”的总体目标下，对薄弱部位采用性能化的设计方法，提出具体性能目标，采用不同软件进行计算分析，包括弹性时程分析和静力弹塑性分析等，并且配以合理的抗震构造措施，定量地视线罕遇地震下的设防要求，保证结构安全性。

2 抗震性能目标

本工程在满足国家、地方规范的基础上，关键部位采用性能化的设计方法[5]，抗震设计控制目标如表1所示。

3 整体结构计算模型和地震波输入

本工程采用SATWE（2010.7）作为主要整体计算分析设计软件，PMSAP（2010.7）、ETABS（中文版 V9.7.1）作为辅助软件进行分析对比。为了真实反映楼板开洞的影响，SATWE、PM SAP模型中，均将首层~五层楼板设为弹性板，在ETABS模型中，将首层~五层楼板设为壳元，考虑楼板平面内外刚度。结构嵌固端取在±0.000层，计算模型包括地下4层和地上34层（包括机房层），共38层。图4为结构整体计算模型。

图4 结构整体计算模型

本工程采用振型分解反应谱法和时程分析法两种方法计算多遇地震下结构的地震反应，结构阻尼比取0.05。模型中考虑填充墙的影响，周期折减系数取为0.8。同时考虑到结构的不规则性，充分体现高阶阵型对结构的影响，取前36阶振型的效应参与组合。

时程分析采用三条地震波，分别为人工波RH1TG001，1966年USA00106号波和1971年USA00466号波。参照该工程相邻场地的地震安全性评估报告[3]，该场地多遇地震下地面加速度最大值为13.8cm/s2， 小于 《建筑抗震设计规范》[4](GB50011—2010)中多遇地震下地面加速度最大值18cm/s2。最终设计采用时程分析法主要计算结果包络值和反应谱计算结果之间的较大值。图5为三条地震波的加速度时程曲线与加速度反应谱曲线。

图5 地震波加速度时程曲线与加速度反应谱曲线

表1 抗震设计控制目标

4 结构整体分析计算结果

4.1 周期与振型

本工程取前36个振型进行地震计 算 分 析 ， 从 SATWE、PMSAP、ETABS三种结构分析软件的计算结果来看，第一、二周期均分别为X方向和Y方向的平动，第三周期均为绕Z轴的扭转，结构的第一自振周期分别为4.120s，4.106 s和4.081 s。 PMSAP、ETABS与SATWE计算的第一周期的误差分别为：-0.3%、-0.9%，计算结果基本一致。三种软件计算的结构质量参与系数都大于90%，第一扭转周期与第一平动周期比值均小于0.85，满足规范要求。

4.2 位移和扭转位移比

采 用 SATWE、PMSAP、ETABS三种结构分析软件，分别计算了结构在风荷载、规范反应谱工况下结构最大层间位移角和结构最大层间位移比。在风荷载作用工况下，三种软件计算的x向最大层间位移角分别为1/2378（层19）、1/2581（层19）和1/2398（层19），y向最大层间位移角分别1/2423（层 15）、1/2435 （层 15）和1/2212（层15）；在规范反应谱工况下，三种软件计算的x向的最大层间位移角分别为1/2578（层19）、1/3021（层19）和1/3051（层19），y向的最大层间位移角分别1/1524（层15）、1/1560（层15）和1/1698（层15）；最大层间位移角均小于 《高层建筑混凝土结构技术规程》中框架核心筒结构弹性层间位移角1/800的限值。三种软件计算的结构最大层间位移比均不大于1.2，满足规范小于1.4的要求。根据唯一计算结果，本结构刚度较大，能很好的满足抗侧力要求。

4.3 刚度比分析

4.3.1 楼层刚度比

采用SATWE整体建模分析，不考虑土体约束，选用地震剪力与层间位移比算法，其首层楼层侧向刚度与二层楼层侧向刚度比：X向3.45>2，Y向2.14>2，满足规范对嵌固条件的刚度比要求，故选取首层楼板作为整个结构的嵌固层是合理的。同时SATWE、PMSAP及ETABS三种软件整体计算的X、Y方向楼层侧移刚度与上一层相应侧移刚度70%的比值或上三层平均侧移刚度80%的比值均大于1，满足规范要求。

4.3.2 薄弱层等效刚度比

由于结构2~4层中央大厅上空，楼板不连续，2~4层楼板已不符平面内无限刚的假定，楼层刚度已无实际意义。为计算薄弱层上下刚度比，近似采用《高层建筑混凝土结构技术规程》[5]附录E.0.3的方法，取薄弱层上下等效侧向刚度比ye2。为准确反映中央大厅开洞的影响，模型中仅保留塔楼范围的构件，采用MIDAS对裙房屋面层上下分别建立两个模型，模型A（图6）和模型B（图7）。

表2 时程分析与反应谱分析结果比较

图6 模型A

图7 模型B

模型A为1~5层，高度19.2m；模型B为5~9层，高度18m，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》附录E.0.3中要求上下两个模型高度应接近但比值不大于1的要求。模型中不考虑风荷载、地震作用及附加恒、活载，楼板设置为弹性楼板。在模型A、B的顶部施加相同的水平力，计算得出X、Y向等效侧向刚度比分别为0.88和0.91，均大于《高层建筑混凝土结构技术规程》[5]限值0.8。由此可见，中央大厅开洞对刚度造成的削弱较小，楼层上下刚度变化基本平缓、均匀。

4.4 弹性时程分析

本工程采用ETABS软件进行弹性动力时程分析，表2列出了时程分析与规范反应谱分析结果的比较，同时图8绘制出了时程分析法与反应谱法计算的楼层层间位移角的对比。

图8 时程分析法与反应谱法计算的楼层层间位移角的对比

由弹性时程分析结果可知，每条时程曲线计算所得的结构底部剪力均大于振型分解反应谱法计算结果的65%，三条时程曲线计算所得的结构底部剪力平均值大于振型分解反应谱法计算结果的80%，因此，选用的地震波满足规范相关要求。时程分析法与振型分解反应谱法计算结果显示，二者计算的结构反应特征、变化规律基本一致，结果合理可信。基于力学概念和工程经验判断，结构整体性能合理。

4.5 静力弹塑性时程分析

运用ETABS软件对结构在罕遇地震作用下的弹塑性层间位移角比值进行简化计算，形成能力谱曲线，通过性能点结构顶点位移推算层间位移角，得到X、Y方向的弹塑性层间位移角分别为1/410和1/395，满足规范小于1/100的要求。在罕遇地震作用下，筒体剪力墙连梁虽普遍出现裂缝，但绝对数量并不多，且开裂墙体在单层墙体数量看来所占比例不大，框架柱基本上没有出铰。因此，本工程主要抗侧力构件具有有限的塑性发育，但没有屈服，满足大震不屈服的要求。结构具有足够塑性变形能力和内力重分布能力而不至于被破坏到临界倒塌极限状态。这些塑性发育较充分的开裂墙体应当采取增加配筋率等有效措施来适当加强，尽可能地减少大震下的裂缝，确保主要抗侧力构件的后续耗能能力。

5 薄弱层楼板应力分析

由于结构2~4层有平面开大洞的情况，为准确反映楼板应力分布，采用壳单元模拟连接楼板，不考虑楼板的刚度折减，进行设防地震下的连接楼板平面内拉力 （应力沿板厚方向积分）分析。

图9 2层楼板X方向分布力图（kN/m）

图10 4层楼板X方向分布力图（kN/m）

图11 4层楼板X方向分布力图（kN/m）

图12 5层楼板X方向分布力图（kN/m）

图9~图12分别为2~5层楼板，设防地震下沿X方向的内力分布图。其中2~4层楼板厚度120mm，混凝土等级为C40，配筋为双层双向8@150，抗拉承载力为446kN/m。五层楼板厚度150mm，混凝土等级为C40，配筋为双层双向10@150，抗拉承载力为632kN/m。由下面应力分布图可见，各层开大洞附近楼板拉力均小于楼板抗拉承载力，说明楼板仍可保持弹性。

6 抗震设计措施

（1）2~5层薄弱部位框架梁按照中震 不屈服进行构件设计，框架柱和剪力墙按照中震弹性进行构件设计。

（2）通过合理的布置剪力墙，使结构刚度中心与楼层质量中心尽量接近，结构的位移比、周期比均满足规范的要求，侧向刚度均匀变化，并在塔楼周圈设置加强环梁，增强结构的抗扭转性能。

（3）提高结构延性，增加结构在地震下耗能性能，满足抗震设计要求，其一限制剪力墙、框架柱轴压比，小于规范限值；其二提高筒体四角墙体暗柱配筋率及墙体分布筋配筋率等构造措施；其三加强连梁等耗能构件的上、下纵筋配筋率及箍筋配筋率设计。

（4）裙房屋面（五层楼板）处因刚度突变，为加强楼板刚度，取板厚不小于150mm，楼板配筋率不小于0.3%，双层双向配筋。中央大厅两侧及上方裙房屋面框梁加高加强，以提高裙房高度范围结构刚度和承载能力。

（5）首层至裙房屋面（五层楼板）存在大开洞情况，首层至五层楼板范围内的柱子箍筋采用全高加密措施，且箍筋间距≤100mm，同时提高墙体配筋率，该范围内筒外壁墙体分布筋配筋率达到0.7%，以提高墙柱抗剪承载力与延性。

7 结论

本工程为钢筋混凝土高层建筑，裙房楼板存在局部大开洞情况，属于超限高层，对此采取了相应的概念设计，进行针对性的结构计算分析，并结合有效的构造措施，可以满足结构安全性要求，本结构设计方案合理可行。

[1]徐培福,傅学怡,王翠坤等.复杂高层建筑结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[2]徐建.建筑结构设计常见及疑难问题解析[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.

[3]重庆市地震研究所.重庆江北嘴金融城2号工程建设场地地震安全性评估报告[Z].2010.6.

[4]中华人民共和国行业标准.建筑抗震设计规范GB50011—2010[S].

[5]中华人民共和国行业标准.高层建筑混凝土结构技术规程JGJ 3—2010[S].