平面Y形某超限高层建筑结构抗震性能分析

程晓杰，孙 俊

（安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥230022）

0 引 言

近年来，随着我国经济建设的飞速发展和建筑科技的进步，高度超高、体型复杂、跨度过大、结构异常的超限高层建筑不断增多。这类建筑往往存在高度或平面与竖向规则性方面超过规范、规程规定的限值。超限结构的抗震设计问题日益成为高层建筑工程中的重难点，我国已经开始应用基于性能的抗震设计，并取得了一定的成效。该方法在设防时提出具体量化的性能目标，提高工程抗震设计的可靠性，避免抗震安全隐患，促进高层建筑技术的发展。

本文针对某超限高层剪力墙结构工程，采用基于性能的抗震设计理论，首先建立两种不同力学模型，然后对比分析，并进行弹塑性分析，通过寻找性能点，对结构抗震性能进行评估，提出加强措施，以此来实现抗震设防目标。

1 工程概况

本工程位于安徽省合肥市，为高层住宅楼，地上部分44层，地下部分为2层地库。地库层高从下至上分别为4.30m、4.40m，地上除一层层高为4.45m外，其余层高均为2.95m，建筑总高度131.60m。安全等级为二级；结构耐火等级一级；结构设计使用年限50年。

该工程基本参数依据地勘和安评报告，并结合《抗规》［1］要求选取。建筑抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g，设计地震分组为第一组。剪力墙抗震等级一级，场地类别为Ⅱ类，特征周期Tg＝0.35s，阻尼比为0.05，周期折减系数为0.85，地面粗糙度类别是C类，基本风压Wo＝0.35KN／m2，基本雪压So＝0.60KN／m2。

2 结构超限情况

2.1 主体结构概况

本工程结构平面布置见图1，采用剪力墙结构体系，现浇混凝土梁板楼盖。根据《高规》［2］要求计算确定剪力墙厚度，控制墙肢轴压比小于0.5。由于建筑物呈Y字形平面布置，在七层以下的转角两翼处，适当增加墙厚，以提高结构的抗扭和抗侧刚度。墙体的混凝土强度等级自下而上由C50逐渐过渡为C30，梁和板均采用C35、C30，钢筋材料采用HPB300、HRB335、HRB400钢筋。主要构件截面尺寸如表1所示：

表1 主要构件截面尺寸

2.2 结构超限分析

本工程根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》［3］，检查涉及结构高度和不规则性的内容，结果如下：

（1）本工程采用剪力墙结构，建筑高度为131.60m。根据《高规》房屋适用高度和高宽比的要求，7度区剪力墙结构最大适用高度为120m。故本工程建筑结构为B级高度。

（2）由于建筑功能的要求，该工程Y方向总长度30m，平面凹进尺寸为11.2m。计算得出平面凹凸尺寸大于相应边长的30%，属凹凸不规则性结构。

（3）为了追求大户型、小进深、大面宽的建筑布局，该工程呈Y形平面布置，两端有较长的外伸，中央形成狭窄部分，呈细腰形，属组合平面不规则结构。

通过以上检查可以看出，本工程为B级高度高层建筑，同时具有两项一般不规则性：“凹凸不规则”和“组合平面不规则”。针对本工程特点，采用表2的抗震性能目标。该超限高层结构的特殊性决定了对其进行抗震性能分析在同类型结构中研究有着重要意义。

表2 抗震性能目标

3 结构整体计算分析

3.1 多遇地震计算分析

本工程结构计算分别采用SATWE和Midas Building，地震计算分析取《抗规》提供的多遇地震相关参数。考虑双向地震作用、偶然偏心，整体计算对比模型采用刚性楼板假定。两软件的结构分析模型如图2所示，结构整体分析指标见表3。

根据结构计算数据汇总结果，具体分析如下：

（1）“周期比的控制实质是控制结构的扭转变形要小于结构的平动变形，它要求结构刚度布局合理，以此控制地震作用下结构扭转激励振动效应不成为主振动效应，避免结构扭转破坏。”［4］该结构第一、第二阵型分别为X、Y方向平动，第三阵型为扭转。结构周期比为0.78，小于《高规》要求的B级高度高层建筑0.85的限值。

（2）软件计算的有效质量系数均大于90%，说明所取得计算振型个数满足要求。

表3 结构整体分析指标

（3）“结构剪重比应满足规范中楼层最小地震剪力系数限值的要求。当个别楼层或较少比例楼层的水平地震剪力不满足、且与最小限值差距较小时，应按最小剪力系数进行内力调整。”［5］计算中已进行了水平地震剪力取值的调整。

（4）层间位移限值是控制高层建筑结构的一个重要指标［6］。控制层间位移角是为限制结构在正常使用条件下的水平位移过大，确保高层结构应具备的刚度。从结果看出该结构最大层间位移角小于规范的限值1／1000，满足要求。

（5）控制位移比主要是为了控制结构的平面规则性，避免位移比过大而形成扭转，对结构产生不利影响。结果显示，结构的位移比均小于1.2限值，符合规范要求。

该结构在多遇地震作用下主要技术指标均满足规范要求且两软件计算结果较为吻合。

3.2 弹性时程分析

采用SATWE软件进行弹性时程分析。“超限高层建筑的抗震设计，往往需要采用时程分析法进行补充计算，其前提是输入的地震加速度波形选择正确。”［7］本工程选用两组天然地震波和一组场地人工波进行计算，其中天然波1由安徽省地震工程研究院提供，天然波2和场地人工波由安评单位北京勘察技术有限公司提供。地震波加速度峰值分别为35、38、38cm／s2，记录时长分别为144.02、135.98、81.90s。时距为0.02s，特征周期0.35s。所得弹性时程剪力对比结果如表4所示：

表4 弹性时程剪力对比结果

表4看出，X方向大部分楼层的楼层剪力均大于反应谱楼层剪力，与反应谱楼层剪力比值为1.1～1.26；Y方向大部分楼层的楼层剪力均与反应谱楼层剪力相当，天然波1在底部的楼层地震剪力超过了反应谱楼层剪力，与其比值为1.19。由两方向对比结果知，所选地震波满足规范要求，计算所得结构底部剪力在X、Y方向均不小于振型分解反应谱法中计算结果的65%，且结构底部剪力平均值在X、Y方向均不小于振型分解反应谱法中计算结果的80%，满足《高规》要求。

从图3中看出，在地震作用下，所选地震波对结构地震反应相差不大，但X、Y方向最大楼层水平位移与振型分解反应谱法计算结果略有差异。

总之，根据规范有关要求，抗震设计时采用三条时程波的包络值与反应谱之间的较大值作为结构的设计依据。

3.3 设防烈度地震计算分析

采用SATWE软件对结构分别进行设防烈度地震弹性和不屈服计算分析。“中震弹性计算时，不考虑地震内力调整；中震不屈服计算时，不考虑地震内力调整，荷载作用分项系数取1.0，材料强度采用标准值，不考虑抗震承载力调整系数γ。”［8］中震作用下，关键构件及普通竖向构件需满足构件屈服承载力设计公式要求，受剪承载力满足弹性设计要求。耗能构件允许部分抗弯屈服，但受剪承载力应符合的要求。

计算结果表明，在设防烈度地震作用下，结构竖向构件均满足性能目标，耗能构件中少量连系梁和连梁在中震不屈服计算时出现超筋情况，但主要受力构件受剪截面均满足要求。计算结果满足抗震性能目标的要求。

3.4 静力弹塑性分析

“静力弹塑性分析方法是通过对结构逐步施加某种形式的水平荷载，用静力推覆分析计算得到结构的内力和变形，并借助地震需求谱或直接估算的目标性能需求点，近似得到结构在预期地震作用下的抗震性能状态，由此实现对结构的抗震性能进行评估。”［9］《抗规》也明确规定可以采用此方法，该方法是对结构在较大地震作用下进行弹塑性分析的一种有效方法。本工程中分析结果如图4所示：

图4为结构在沿X向、Y向罕遇地震作用下的静力弹塑性分析结果曲线。根据性能点，对结构的抗震性能进行评估，并检验结构的层间位移角是否满足规范限值的要求。能力曲线前一部分较为平滑，表明结构处于弹性阶段，位移与基底剪力呈线性递增；曲线的后半部分切线斜率变小，表明结构进入塑性阶段。罕遇地震下在结构性能点处，X向、Y向性能控制点对应的结构最大层间位移角均分别出现在第25层，这是由于结构高度超限加之不规则性，罕遇地震下，底部加强部位墙厚较大，侧向刚度较大扭转较轻，过渡到楼层中部剪力墙厚度减小，受扭较大，局部开洞处剪力墙屈服出现塑性铰，有较大位移及位移角。到结构上部区域，地震作用相对较小，剪力墙（200厚）侧向刚度也相对较大，具有一定抵抗作用，结构层位移继续，但位移角未继续蔓延。计算所得X、Y向层间位移角分布分别为1／229和1／227，均小于《抗规》第5.5.5条规定的钢筋混凝土剪力墙结构弹塑性层间位移角1／120的限值，满足规范要求。从结构的出铰部位和程度来看，结构大部分连梁和少数连系梁出现了塑性铰且塑性铰屈服程度较浅，极少数剪力墙开洞处应变等级状态较高，底部加强区部分局部出现小墙肢开裂。因而，结构能够经受罕遇地震的考验。

4 加强措施

根据本工程结构计算结果，预定的抗震性能目标能够实现。但在设防烈度地震和罕遇地震作用下，存在部分超筋、极少数剪力墙应变等级过高、局部出现小墙肢开裂等情况。另外基于该工程高度超限和平面不规则的结构特点，在设计中注重结构概念，采取了一些综合性的抗震加强措施。

（1）为保证结构抗倾覆能力，选择可靠的持力层，加大基础埋深，底部加强部位取嵌固层至五楼楼面，增加2层过渡层，约束边缘构件上延2层；

（2）为了保证墙的塑性变形能力，严格控制墙肢的轴压比，保证限值均小于0.5；

（3））底部加强部位竖向和水平分布钢筋配筋率取0.3%，约束边缘构件最小配筋率提高至1.3%，以提高剪力墙底部加强部位的延性；

（4）局部短墙部位、底部加强区及中间凹进部位的剪力墙，从抗震概念和计算结果上都表明较薄弱，因此对于提高该薄弱部位的抗震性能非常必要。对其均按抗震等级特一级进行配筋构造；

（5）对薄弱部位楼板采取加强措施。细腰部位的楼板厚度取130mm；屋面楼板取不小于120mm；各加强部位均采用双层双向配筋，局部应力较大的区域根据实际分布情况加强钢筋。

5 结 论

通过本工程案列分析，以此来注重结构抗震的概念设计。首先介绍了该工程结构超限情况，再通过SATWE和Midas Building软件进行整体计算及对比分析，并进行了设防烈度地震和罕遇地震的分析。通过计算分析结果，对结构薄弱部位加强，比如结构底部加强部位和对结构重要的部位墙肢加强。结构的刚度与变形等指标满足规范的限值要求，建筑可满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标。结论如下：

（1）建筑方案和设计阶段，结构工程师应介入，在满足建筑Y形平面布置和功能要求的情况下，采取合理结构体系，最大程度控制结构超限情况，这对之后的结构抗震设计大有裨益。 （2）超限高层结构分析的重难点在罕遇地震下的分析。一方面，静力弹塑性分析可得到结构许多整体控制指标，包括最大顶点位移，最大层间位移、最大基底剪力等，分析量较大。另一方面的难点在于寻找能力谱曲线图的性能点和结构出铰状况的判断。本工程X、Y向层间位移角分别为1／229和1／227，均小于规范中最大层间位移角的限值，表明在罕遇地震作用下结构有较大非线性变形存储，满足预期的抗震设防要求。

（3）从超限结构特点上看，高度超限对结构的抗倾覆能力有较大影响，嵌固端和底部加强部位应具备足够的刚度；Y形不规则平面和楼板局部开洞所产生的扭转问题比较明显，虽然位移比未超过规范限值，但X方向的位移比仍较大，为增大结构抗扭性能，对结构的薄弱部位楼板进行加强，比如增加板厚、加大配筋。

（4）剪力墙为本结构的主要抗侧力构件，是结构的重要抗震防线，为了提高墙体的塑性变形能力和结构的延性，在技术措施，抗震等级、轴压比、材料强度等级、配筋率等方面应采取比规范、规程更严格的要求。

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

2 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.2010.

3 中华人民共和国建设部.超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点.建质［2010］109号，2010.

4 杨星.PKPM结构软件从入门到精通［M］.北京：中国建筑工业出版社.2010.105－106.

5 刘军进，肖从真，王翠坤，等.复杂高层与超高层建筑结构设计要点［J］.建筑结构，2011，41（11）：34－40.

6 黄慎江，方高倪，吴运传.高层建筑层间位移控制的探讨［J］.安徽建筑工业学院学报（自然科学版），2003，11（2）：20－23.

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