超限高层抗震性能设计方法总结

张达明，杜嘉斌（广州市住宅建筑设计院有限公司，广东　广州　510623）



超限高层抗震性能设计方法总结

张达明，杜嘉斌（广州市住宅建筑设计院有限公司，广东广州510623）

超限高层抗震性能设计的一般过程如下：①设置合适的性能目标；②小震常规设计；③小震弹性时程分析；④中、大震等效弹性分析；⑤中、大震弹塑性静力推覆分析；⑥大震弹塑性时程分析；⑦根据分析结果设置抗震加强措施。本文以广州猎德天盈广场C1栋办公楼为例，详细介绍了上述各个过程和方法，供设计人员参考。

超限高层；抗震；性能设计；抗震加强措施

引言

超高层建筑的抗震性能设计方法有一定的规律和章法可循。本文以广州猎德天盈广场C1栋办公楼（总高175m，钢管混凝土柱框架-筒体结构，平面如图1所示）为例，详细阐述超限高层抗震性能设计全过程。

图1　结构平面图

1　设置合适的性能目标

高规［1］中指出，在选用性能目标时，需考虑各种因素。笔者认为，设计人员除满足规范的基本要求外，应在不增加或者少增加造价的情况下尽可能的挖掘结构本身的能力，这样才到达到安全性与经济性的平衡。

以C1栋办公楼为例，总高175m，采用钢管混凝土柱框架-筒体结构体系，超限情况为：超A级高度 （未超B级高度）；在6层有3根柱转换，

属于一类竖向构件不连续；由于设置转换梁，造成6层刚度突变。按照规范，选取性能目标C或者D为宜。在综合考虑多项因素后，将结构的性能目标设为D，但考虑到总高度接近B级高度，托柱转换梁跨度较大（转换柱距16m），故本工程特别要求转换构件在设防地震下承载力仍能满足弹性设计要求（无损坏）。综上，结构各构件的性能目标如表1所示。

2　小震常规分析（谱分析）

设置了合适的性能目标后，可按规范进行小震的常规设计，保证结构的周期比、扭转位移比、位移角、剪重比、侧向刚度比、层间受剪承载力之比、刚重比、框架承担倾覆力矩的比值等相关指标均满足规范的要求；并使各构件的截面取值合理，满足抗震延性的要求。此阶段地震作用采取的是谱分析方法，这里需特别注意的是，应对比结构在规范谱与安评谱下，其基底剪力、倾覆弯矩、顶点位移、层间位移角等指标的大小，设计时应取两者计算的包络值。由于规范对该部分的说明较为详细，此处不赘述。C1办公楼的小震分析结果详文献［2］。

表1　

3　小震弹性时程分析

由于小震谱分析的方法为近似算法，为进一步了解结构体在小震作用下的实际响应，需对结构体进行小震弹性时程分析。

C1办公楼的小震弹性分析的结果如下：①所选的各条时程波以及计算所得的基底剪力满足规范要求 （每条波基底剪力不小于谱分析的65%）；②弹性时程分析的楼层内力平均值均小于安评反应谱结果（但不小于谱分析80%），安评反应谱分析结果在弹性阶段对结构起控制作用；③弹性时程分析的位移角曲线，地震波0度时在6层处有明显突变，反映X向在6层（转换层）结构刚度有突变；地震波0度和90度时在10、24层处有轻微突变；反映X、Y向在10、24层（加强层）结构刚度有轻微突变。须按规范要求采取针对性的加强措施。

4　中、大震等效弹性分析

完成了小震弹性计算后，需要对结构中各个构件在中、大震下的性能水准做相应验算。此时采用等效弹性计算法是最快速最便捷的。等效弹性法是实质也是弹性计算法，只是通过调整各种参数，用以模拟进入弹塑性后结构刚度的变化。

C1办公楼按照表2的参数设置进行计算后，计算结果表2。

5　中、大震弹塑性静力推覆分（PUSHOVER）

若结构体进入明显进入塑性时，等效弹性分析结果与实际情况有一定偏差。这时应采用弹塑性计算分析，一般分为静力和动力两种，高规［1］规定，高度不超过 150m以及高度在150～200m之间，自振周期小于4s的高层建筑可采用静力弹塑性分析（PUSHOVER）法。并可采用规定水平力的分布形式以适当考虑高振型的影响。

表2　等效弹性计算参数设置

表3　转换构件中震弹性验算结果

C1办公楼静力推覆的结果如下。从整体结果上看：①在大震性能点时，X、Y向最大层间位移角分别为1/269、1/147，小于规范最大值1/100；最大的顶点位移分别为530.8mm、862.4mm，结构可以做到大震不倒。②对比小、中、大震对应性能点的基底剪力，中震性能点对应的X、Y向基底剪力分别为小震性能点的2.71、2.25倍，大震性能点对应的X、Y向基底剪力分别为小震性能点的5.4、4.5倍，说明在推覆过程中，X向结构整体刚度退化不明显，特别在中震下几乎没有刚度损失，而Y向整体刚度在推覆退化明显。

从局部构件上看（如图2所示），大震下，关键构件中底部加强部位剪力墙出现轻度损坏（参照FEMA［3］标准中的LS点），转换构件均未出现塑性铰，由于转换框架均为于X向，这可能也是X向整体刚度退化不明显的原因之一。普通竖向构件中外框钢管混凝土柱未出现塑性铰，非底部加强部位的剪力墙在底部加强部位以上约4～5层范围内，以及顶部1～2层范围内也出现不同程度损坏。框架梁和连梁部分出现塑性铰，起到了很好的耗能作用。

综上，根据静力推覆的结果，整体结构可以达到高规中第5甚至第4性能水准的要求。

6　大震弹塑性时程分析

图2　大震性能点处剪力墙破坏示意图

动力弹塑性分析是最接近实际情况的弹塑性分析法。高规明确规定：高度超过200m，以及高度界于150～200m，但自振周期大于4s的建筑应采用弹塑性时程分析法。

C1办公楼虽然总高度未超过200m，但其周期大于4s，可采用动力弹塑性法进行补充分析。选取多条波计算最响应结果如下。从整体结果上看：①X、Y向最大层间位移角分别为1/170、1/110，小于规范最大值1/100；最大的顶点位移分别为543.1mm、1175mm，结构可以做到大震不倒。②大震弹塑性时程分析X、Y向基底剪力分别为小震谱分析的3.69、4.6倍。说明在弹塑性时程分析下X向结构整体刚度退化明显，这与静力推覆的结果差异较大，而Y向整体刚度退化情况与静力推覆分析结果较为吻合。说明静力推覆分析法在分析高层建筑的地震弹塑性上还是存在一定的不足。

从局部构件上看，核心筒墙体均未出现明显损伤，但X向墙肢由于开洞原因形成的连梁上出现较多受压损伤，并且分布于转换层以上约2/3楼层高度范围内，转换层由于层高较高所形成的跨高比较小连梁也出现较多受压损伤，起到了很好的耗能作用；而Y向墙体较为完整，墙体也没有出现明显受压损伤。这与整体指标中X向的刚度退化明显而Y向的刚度退化不明显是非常吻合的。而关键构件中转换构件均未出现明显的受压损伤，钢筋和钢管的塑性应变也小于0.006［3］。框架梁除局部梁端出现塑性铰外也未出现明显损伤。

综合分析，结构在大震下的性能应该界于规范规定的C 和D之间。

图3　筒体墙体的损伤情况

7　根据分析结果设置抗震加强措施

在完成上述的各项分析后，可以有针对性的对结构采取相应的抗震加强措施。

以该项目为例，其加强措施如下：①转换构件采用型钢混凝土构件，柱型钢含钢率6%，梁型钢含钢率4%，并将其抗震等级定为特一级。②圆钢管混凝土柱，控制一级部位套箍指标θ≥1.0，保证其进入屈服阶段的延性。③转换层及其以下落地剪力墙约束边缘构件设置芯柱（1%配筋率）。④底部加强部位剪力墙抗震等级定为特一级，其竖向分布筋的配筋率提高至1%，水平钢筋构造配筋率提高为0.6%；底部加强部位以上设置三层过渡层，其竖向分布筋的配筋率提高至0.6%，水平钢筋构造配筋率提高为0.4%。⑤转换层楼板厚度为200mm，双层双向拉通配筋，配筋率0.25%。

［1］《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）［S］.

［2］张达明，林敏波，等.猎德西区综合发展项目C区地块C1办公楼建筑结构超限设计可行性报告，2012，12，20.

［3］Federal Emergency Management Agency.美国联邦紧急事务管理署标准，对构件的损伤与其塑性应变的关系有量化指标.

所获荣誉及奖励：

2014年度广州市优秀工程勘察设计二等奖、三等奖；2015年度广东省优秀工程勘察设计“建筑结构专项”三等奖。

张达明（1983-），男，建筑结构师，国家一级注册结构工师，硕士研究生，主要从事建筑结构设计相关工作。

TU973+.31

A

2095-2066（2016）14-0131-03

2016-5-1