某多项不规则超限高层结构设计

陈少锋

【摘 要】某工程为框支剪力墙结构，因建筑功能需要，结构主体存在扭转不规则、侧向刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续等多项不规则情况，属超限高层建筑。由于采用了相对合理的结构布置，通过两阶段设计方法，分析了各项不规则情况对结构主体的影响程度，找出了结构薄弱位置且采取了加强措施，从而减小了体型不规则带来的不利影响，使得结构仍具有良好的抗震性能，达到三水准的抗震设防要求。本文主要介绍工程的结构布置、计算分析方法，薄弱部位采取的抗震措施等。

【关键词】多项不规则超限高层；各项不规则情况对结构主体的影响程度

0.前言

超限高层建筑，是指超出国家现行规范、规程所规定的适用高度和适用结构类型的高层建筑工程，体型特别不规则的高层建筑工程，以及有关规范、规程规定应当进行抗震专项审查的高层建筑工程。具体超限情况及主要范围可参照《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（建质[2010]109）中第一章第二条及第七章附录一确定。针对多项不规则的超限高层建筑，首先应结合抗震概念采用相对合理的结构布置，然后分析结构各个不规则情况对结构主体的影响程度，找出了结构薄弱位置，最后采用基于性能的抗震设计方法对结构薄弱位置采取加强措施，达到使结构具有良好的抗震性的目的。本文现以某在建住宅类超限高层为例，重点就本工程结构在各项不规则情况对结构主体的影响程度及结构设计采取的加强措施方面进行阐述。

1.工程概况

某高层住宅位于厦门市五缘湾，是某住宅小区其中一栋，底部为大底盘地下室，地下2层，地上28层，建筑总高度99.10m，底层层高7m，以上各层层高均为3.4m，二层为框支转换层。

本工程为部分框支框架剪力墙结构体系。

建筑抗震设防类别为丙类，建筑结构安全等级为二级。抗震设防烈度为VII度，设计基本地震加速度0.15g，设计地震分组：第二组；场地类别：II类；特征周期Tg=0.40se；按建筑类别及场地调整后用于确定抗震等级的烈度VII度；建筑结构的阻尼比取5%。50年一遇的基本风压：0.8KN/m2，地面粗糙度：A类。

框架抗震等级：框支框架为一级其余为二级；剪力墙抗震等级：底部加强区为一级其余为二级。

2.结构方案布置及结构体系中的不规则问题

（1）结构方案布置：采用部分框支框架剪力墙结构体系。

转换层柱距8～14.5m，型钢混凝土框支柱b*h=1400*1500，型钢BH700x700x32x32，型钢混凝土框支梁b*h=1400x1600，型钢BH 1100X700X25X25

转换层以上柱距为8.0～10.0m，2～24层采用型钢混凝土框架柱，型钢BH400X400X20X25～BH700x700x25x25柱截面，b*h=1200*1200～800*800；24层以上采用钢筋混凝土框架柱b*h=800*800。

楼电梯间处筒体钢筋混凝土墙厚度400～600mm，其余钢筋混凝土墙厚度300～500mm。并对于边榀抗震墙端部设置型钢混凝土暗柱以提高整体延性。

楼盖结构：地下二层～屋顶采用钢筋混凝土梁板体系； 转换层板厚250mm，其余各层板厚100～150mm。主要的抗侧力体系由框架-抗震墙组成。转换层为型钢砼梁、柱，部分内力较大的位置设置了型钢砼梁、柱。结构布置详结构平面布置图（详图2，3）；

（2）结构体系中的不规则问题：

本工程不规则情况，具体体现在以下几个方面：

1）扭转不规则：考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2，属于扭转不规则结构。

2）竖向抗侧力构件连续：于地上一层转换。

3）侧向刚度不规则：地上一层侧向刚度（剪力/层间位移）小于上一层70%。

4）结构高宽比6.4>6.0。

针对以上超限情况，综合专家组意见及设计者的理念，制定了本项目的抗震性能目标。

（1）在多遇地震作用下：各构件均保持弹性工作状态。

（2）在设防地震作用下：底部加强区的竖向构件（除框支柱）的抗剪承载力按中震弹性设计，抗弯承载力按中震不屈服设计，框支框架按中震弹性设计。

（3）在罕遇地震作用下，结构的最大弹塑性层间位移角满足规范的限制要求。

3.计算方法与结果分析

3.1计算方法

（1）采用两种不同力学模型的三维空间分析程序进行整体结构内力、位移的对比计算分析，采用PKPM系列软件的STAWE模块计算，并用PKPM的PMSAP模块补充计算校核。

（2）采用弹性动力时程分析方法进行多遇地震的补充计算。

（3）采用PKPM系列软件的PUSH模块进行大震下静力弹塑性计算。

（4）采用FEQ有限元框支剪力墙计算及配筋软件对转换梁及转换梁上一层剪力墙进行复核。

3.2多遇地震及风荷载下弹性分析

此阶段性能设计的目标是保证结构在小震作用下无损坏，可继续使用。就要求结构具有足够的刚度，变形在弹性阶段，不会因为在地震力作用下产生过大位移而影响结构承载力及使用要求。

本工程采用SATWE进行计算，并用PMSAP对比分析。SATWE采用空间杆单元模拟梁、柱及支撑等杆件，采用在壳元基础上凝聚而成的墙元模拟剪力墙；PMSAP程序基于广义协调理论和子结构技术开发了能够任意开洞的细分墙单元和多边形楼板单元，其面内刚度和面外刚度分别由平面应力膜和弯曲板进行模拟，楼板参与整体结构的计算分析。两个程序均采用振型分解反应谱法进行地震作用计算，并考虑偶然偏心及双向地震作用。

主要计算控制指标：a.周期比；b.层间位移角及扭转位移比；c.剪重比及有效质量系数；d.层刚度比及层抗剪承载力比；e.墙轴压比及稳定性。

结果分析：

A）SATWE和PMSAP的振型反应谱计算多遇水平地震作用，结果基本吻合，刚度适宜，各项指标满足规范要求。

B）对于转换梁上一层框支剪力墙，采用有限元框支剪力墙计算及配筋软件（FEQ），取框支层以下各层及以上三层复核框支层上的剪力墙及框支转换构件，并综合两者的结果进行构件的设计。

3.3多遇地震动力弹性时程分析补充计算

目前抗震规范所采用的平均反应谱法，主要由设防烈度、近震远震、场地土、地震影响系数等参数控制。对于特殊情况如结构体型复杂、超高层等用平均反应谱法计算并不完全准确，规范要求应进行弹性动力时程分析。

选取由中国建研院提供的场地实测地震波，共三条 ，其中两条天然波，一条人工波，具体有以下要求：

（1）每条时程曲线计算得结构底部剪力不应小于反应谱法的65%，多条时程曲线计算所得底部剪力的平均值不应小于反应谱法计算结果的80%。

（2）地震波持续时间不小于建筑基本自振周期的5倍及15s。

（3）选取3组时程曲线计算时，结构地震效应取时程分析结果与振型分解反应谱计算结果的包络值。

结果分析：由最大楼层剪力对比图显示，时程分析及反应谱分析得到的结果曲线基本接近 ，曲线光滑无突变。反应谱分析曲线无法完全包络住时程分析曲线，最大剪力由时程分析的结果控制。结构设计时，24层以上应按时程分析结果与反应谱法的比值对地震作用进行放大，其余楼层仍按反应谱法的计算结果。

A）采用弹性时程分析进行了多遇地震下的补充计算，结果显示：（详图5）。

3.4中震分析

中震作用：此阶段的性能目标是保证结构在中震作用下处于可运行状态，通过适当量化的弹性计算方法，找出薄弱构件并加强，与小震和罕遇地震作，其破损状态可描述为结构大部分均可立即修复，结构和非结构构件允许有微小破损，人员安全，重要的运行应有可靠的保护。

本工程在设计时结合专家审查组意见，提出中震下对结构的关键部位和关键构件采用性能设计，以使有限的资金用在最需要的地方，达到经济效益优化的目的。将此目标量化后分为以下几个方面：

（1）底部加强区的竖向构件（除框支柱）的抗剪承载力按中震弹性设计；抗弯承载力按中震不屈服设计。

（2）框支框架按中震弹性设计。

中震不屈服计算时，水平地震影响系数最大值 amax=0.34，材料强度采用标准值 ，荷载采用标准值 ，抗震等级取四级，属于承载力极限状态设计。

中震弹性计算时，水平地震影响系数最大值 amax=0.34.抗震等级取四级。中震弹性设计取消内力调整系数，保留荷载分项系数，材料强度采用设计值。

中震不屈服设计和中震弹性设计方法都属于性能 设计的范畴。本工程经计算，底部加强区大部分剪力墙及连梁的内力分布合理，基本无超筋现象墙体轴压比最大0.42，构件延续指标良好，符合能设计的要求。

3.5大震下静力弹塑性分析

大震（罕遇地震）作用：αmax=0.72。此阶段性能设计的目标主要是使结构在大震下能够保证其内部人员的生命安全，其破损状态可描述为结构受到中等程度破坏，不会倒塌，一般可保证其内部人员生命安全。本工程通过保证薄弱层（底部加强区）在大震下弹塑性变形的限制，以做到结构大震不倒。

根据X、Y向推覆分析的能力曲线和性能点，得到大震下的最大层间位移角X向为l/187，Y向为1/163，均小于1/120规范限值，符合规范要求。在推覆分析的过程中，塑性铰首先出现在底部加强区的连梁及部分墙肢位置，然后陆续出现。直到性能点位置，剪力墙均未出现剪力铰，在罕遇地震下不发生剪切破坏，有较好的延性，结构具有足够的变形能力，结构的整体抗震性能满足“大震不倒”的抗震性能目标。

4.抗震措施

本工程存在扭转不规则、抗侧力构件不连续，竖向不规则等不规则情况，属超限高层建筑，在初步设计阶段进行了超限高层抗震专项审查，专家组对工程结构设计提出了很多宝贵意见，综合专家组意见及设计者的理念，采用了如下抗震措施：

（1）两端一字型剪力墙端部设置型钢砼暗柱，以提高外围未封闭阳角处整体延性。

（2）转换层板厚取250mm，钢筋双层双向配置，以加强转换层楼板平面内刚度。

（3）对除转换层以外各层板厚按板跨进行优化以减轻结构自重。

（4）剪刀梯梯板之间设置砼抗震墙以进一步增强楼梯间薄弱位置筒体处抗震墙平面外稳定性。

（5）框支框架及部分受力较大框架柱采用型钢混凝土，使得构件尺寸明显减小，构件延性有较大提高。

5.结论

（1）本工程在结构的抗震设计中引入了基于性能的抗震设计理念，并始终贯彻多道抗震设防的概念，使得结构具有良好的抗震性能，保证了结构体系的安全、合理。遵循“强墙弱梁，强剪弱弯”的原则，连梁应具备良好的耗能性能，作为第一道抗震防线，先于墙肢屈服。

（2）不同的超限高层，应根据其具体超限情况及超限程度，以及业主的经济实力，确定结构在不同水准地震作用下所需达到的性能目标。必要时尚应进行相关的试验加以论证。

（3）对于复杂的超限高层建筑，应采用合理的计算模型，通过多种结构分析软件进行对比分析，使得计算结果更接近结构真实的受力情况。

（4）水平力作用性质不同时，所采用的结构布置策略也不同。对于地震力控制的高层，应注意结构刚度与质量的协调，刚度应适宜，否则刚度太大相应地震惯牲力增大；而风荷载控制的高层，结构刚度是关键因素，质量影响则相对较小。

本工程存在多项不规则情况，属于超限高层建筑。由于在结构设计时采取了相对合理的结构布置，并对结构的薄弱处采取了加强措施，从而减小了体型不规则带来的不利影响，使得结构仍具有良好的抗震性能，计算结果满足现行规范和规程的要求。

【参考文献】

[1]1lGB50011-2010.建筑抗震设计规范[S].

[2]JGJ3-2010.高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[3]超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点（建质[2010]109）.