超高层建筑结构抗震设计

李志坚

摘要：本文结合工程实际，介绍了结构的超限设计，对超高层建筑结构抗震设计进行分析，以供类似工程参考。

关键词：超高层;结构方案;抗震设计

1   工程概况

项目为集商业、餐饮、办公于一体的多功能建筑，设3层地下室，底板面标高为-14.9m;地面以上53层，下部5层为裙楼，裙楼层高为 5.1～6m，标准层层高为4.2m，总建筑面积为 126560.42m2;结构总高度237.8m，属乙类超高层建筑。采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系。

根据规范[1，2]，工程结构安全等级为一级，结构重要性系数为 1.1，建筑结构抗震设防类别为乙类，地基基础设计等级为甲级，结构抗震设防烈度为 8 度（0.20g），建筑场地类别为Ⅱ类，基本风压按《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2001）取值，为 0.30 kN/ m2。

2   结构方案需重点解决的问题及思路

2.1 结构方案选择

项目位于 8 度区，结构高度达 237.8m，高宽比为 6.3，其核心筒高宽比偏大（核心筒 Y 向的高宽比为13.6）。如何控制结构在地震作用下的最大位移处于规范[1，2]限值内的同时，又使结构构件尺寸、造价在可接受的范围内是结构设计的重点。结构方案从控制造价出发，优先考虑钢筋混凝土结构;从减少结构刚度突变的不利影响考虑，应尽量减少加强层的使用;另外也可减小结构自重。为此，项目方案阶段共做了 4 种方案比选。

方案一：钢筋混凝土方案 1。其标准层典型梁高为 700mm，配合建筑平面功能及立面造型的需要，沿建筑外围共布置了16根框架圆柱，其中23层及以下为型钢混凝土柱，23 层以上为钢筋混凝土柱，典型柱直径为1600mm。

方案二：钢筋混凝土方案 2。梁柱平面布置基本同方案一，但通过在设备层增设伸臂桁架，在满足刚度要求的前提下，将结构梁高减小。其标准层典型梁高为 500mm，典型柱直径为 1 600mm。

方案三：混合结构方案 1。梁柱平面布置基本同方案一，但梁采用钢梁，柱采用钢管混凝土柱。其标准层典型梁高为 700mm，典型钢管混凝土柱直径为 1 600mm。

方案四：混合结构方案 2。梁柱平面布置基本同方案一，同样采用钢梁及钢管混凝土柱，但通過在设备层增设伸臂桁架，并加大钢管混凝土柱截面，在满足刚度要求的前提下，将结构梁高减小。其标准层典型梁高为 400mm，典型钢管混凝土柱直径为1 800mm。

各方案标准层造价比较见表 1，方案三、方案四因采用了钢梁及钢管混凝土柱，相应构件造价高于方案一、方案二，业主决定采用钢筋混凝土方案，而加强层需进一步比选其优劣性。

表1  各方案标准层造价比较

为进一步比较加强层的敏感性，根据建筑功能需求及结构受力要求，对可能采用的结构方案进行了进一步分析比较，各方案层间位移角比较见表 2。

表2  小震作用下各方案层间位移角比较

注：方案二中 C 工况的刚度不满足规范[1，2]要求，其他均满足规范1/530的要求。

经对比分析设加强层与不设加强层的小震计算结果发现，不设加强层时，结构仍能满足规范[1，2]有关整体计算指标，且避免了加强层带来的刚度和内力突变，故最后决定采用不设加强层的外框架 + 核心筒体系。主要框架梁采用截面为600mm×700mm 的框架梁。

2.2 结构体系

为配合建筑平面功能及立面造型的需要，沿建筑外围共布置了 16 根框架圆柱，其中23层及以下为型钢混凝土柱，23层以上为钢筋混凝土柱，框架柱直径由底部的 1600mm 渐收至顶部的1400mm;中部的钢筋混凝土核心筒沿建筑全高连续贯通布置，核心筒周边剪力墙厚度由底部的1300mm（X向），1200mm（Y向）渐收至顶部的 500mm（X向），400mm（Y向）。外框柱与核心筒共同构成两道抗震防线，为结构提供必要的重力荷载承载能力和抗侧刚度。水平荷载作用下产生的剪力和倾覆力矩由外框架和核心筒两道防线共同承受，其中核心筒承担了结构大部分剪力和弯矩。

3   结构分析及计算结果

3.1 结构超限类型

工程超限有两项：1）扭转位移比超过 1.2（最大值为 1.31），属于扭转不规则;2）建筑高度超过了规范[1]中 B 级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度，此项为本项目结构设计的难点和重点。针对本工程的结构特点，参照规范[1]，设定结构的抗震性能目标为 C，不同地震水准下的结构构件的抗震性能目标见表 3。

表3  结构构件的抗震性能目标

注：轻微损坏为稍加修理即可继续使用，承载力按标准值复核;轻度损坏为一般修理后可继续使用，承载力按极限值复核;中度损坏为修复或加固后可继续使用，承载力达到极限值后能维持稳定，降低少于 5%;比较严重损坏为需排险大修，承载力达到极限值后能维持稳定，降低少于 10%。

3.2 风荷载和小震作用下的弹性分析按规范[1，2]要求，本项目采用 2 个不同力学模型结构分析软件（SATWE，ETABS）进行小震作用下的结构整体计算。结构嵌固部位设在首层，整体计算时输入地下室以考虑其对上部塔楼的影响。在规定水平力作用下，结构底层（首层）框架和核心筒剪力墙承担的剪力比例结果表明，工程各项整体指标均能满足相关规范[1，2]的要求;墙、柱的轴压比和各构件的强度及变形也均能满足要求，完全能达到小震作用下“完好无损坏、变形小于弹性位移限值”的第一阶段的抗震性能目标。

通过SATWE软件，采用振型分解反应谱（CQC）法和时程分析法对结构进行小震作用下的弹性时程分析。结果表明，在多遇地震作用下，CQC 法的计算结果大于 7 条波时程分析结果的平均值。在进行施工图设计时，按 CQC 法的计算结果进行配筋设计。

3.3 中震分析及结构抗震性能评价

根据规范[1]，综合考虑抗震设防烈度、结构体型规则性、超限程度等因素，本工程采用相对简化的等效弹性方法进行中震作用下的性能分析，分析时结构阻尼比取 0.06，连梁刚度折减系数取 0.4。采用 SATWE 软件计算，荷载及承载力均采用标准值，不考虑与抗震等级有关的最大系数和承载力抗震调整系数。中震分析的地震动参数按规范[1，2]取值：αmax= 0.45，Tg= 0.45s。中震作用下的最大层间位移角计算结果见表4。

表4  中震作用下的最大层间位移角

中震验算结果表明，其最大层间位移角满足所设定的性能目标要求，标准层除部分连梁出现受弯屈服（受剪不屈服），进入“中度损坏”外，其他大部分连梁以及竖向构件和框架梁均能达到不屈服，满足“轻微损坏”的要求;经复核，墙、柱未出现拉力。故抗震构件能满足表 3 中所设定的性能目标要求。

3.4 大震动力弹塑性分析及结构抗震性能评价

采用 PERFORM-3D 软件进行动力弹塑性时程分析，构件性能水准参考美国 FEMA 的相关规定。通过各组地震波下结构主要整体计算指标，可见最大层间位移角为 1/128，小于表 3 中预设的性能目标（1/110）。

由大震作用下动力弹塑性分析结果可知：

（1）结构的基底剪力和能量耗散表明，结构在大震作用下基本处于中等的非线性状态。

（2）在滞回耗能中，剪力墙约占 20%，连梁及框架梁约占 80%，柱基本不参与耗能。可见连梁是主要的耗能构件。

（3）有大量的连梁或者框架梁出现弯曲塑性铰，并达到“中度损坏、部分比较严重损坏”的程度，满足表 3 中预先设定的抗震性能要求。连梁先行屈服形成铰机制有重要意义，其进入塑性状态后，一方面使整体结构刚度退化，有效地降低了整体结构和剪力墙所承受的地震作用，另一方面又通过自身的塑性变形耗散了较大部分的地震能量，实现了其作为第一道设防体系来消能和保护墙肢的目的，是其“保险丝”功能得以实现的体现。

（4）框架柱出现弹塑性变形：对于轴弯受拉，塔楼范围内的柱均未超过輕微损坏，裙楼范围内的少量柱进入中度损坏;对于轴弯受压，局部柱达到轻度损坏，混凝土没有压碎;对于抗剪，柱没有出现脆性剪切破坏，通过对薄弱部位进行加强配筋，可满足抗剪不屈服的要求;而且中度损坏的柱主要为裙楼顶层的柱，主要原因为其轴力小、弯矩大，受力情况基本类似于梁，实质上也可看作耗能构件。施工图设计时拟对裙楼顶层柱截面及配筋适当加强。因此，框架柱基本可达到表 3 中设定的“轻度损伤”的性能目标。

（5）剪力墙出现弹塑性变形：对于轴弯，墙端受拉最大超过了轻微损坏，但均没超过轻度损坏，墙端受压除底层个别两片墙肢外均没有超过轻度损坏;对于抗剪，剪力墙的剪力均未超过抗剪截面限制条件，通过对剪应力较大部位的相应加强，可使剪力墙在大震作用下满足抗剪不屈服的性能要求。因此剪力墙能达到表 3 中设定的“轻度损伤”的抗震性能目标。

（6）动力弹塑性时程分析显示结构能够满足大震性能目标。

3.5 抗震加强措施

抗震的主要加强措施有：1）核心筒剪力墙的抗震等级均按特一级，外框架地下 1 层～地上 20 层为特一级，20 层以上为一级;2）23 层以下采用型钢混凝土柱，以提高框架柱的抗震延性;3）地下 2 层 ～地上 5 层采用型钢混凝土剪力墙筒体，加强底部加强区剪力墙的延性;4）加强剪力墙的构造配筋，以保证剪力墙在大震作用下不率先出现剪切破坏，并具有良好的延性。

4   结论

（1）在小震作用下，结构的周期比、侧向刚度、竖向规则性、扭转位移比等指标均符合现行规范[1，2]的相关要求，能达到“小震完好”的性能目标;在中震作用下，结构能满足“重要和一般构件不屈服，仅耗能连梁少量屈服”的抗震性能目标;在大震作用下，结构能满足“不严重破坏”的抗震性能目标，因此可以认为本工程的结构体系在遭遇地震作用时，结构整体能达到性能 C以上的抗震设防目标。

（2）因本工程属位于高烈度区的超高层建筑，为提高结构的抗震性能，23层以下采用型钢混凝土柱，以提高框架柱的抗震延性，地下2层～地上 5层采用型钢混凝土剪力墙筒体，加强底部加强区剪力墙的延性。

（3）本工程虽然属于高烈度区的超高层建筑，结构高度达到 237.8m，但通过细致的分析及结构布置，达到使用普通的结构形式即满足各项性能目标的效果，有效地节约了工程造价。

参考文献：

[1]JGJ 3—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，2011.

[2]GB 50011—2010 建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.