以欧华大厦为例分析超限高层建筑设计方法

黄晖

福建厦门（361001）

以欧华大厦为例分析超限高层建筑设计方法

黄晖

福建厦门（361001）

城市化发展过程中，超限高层建筑物以不同结构形式出现，不仅建筑造型奇特，而且设计质量要求在不断提高。作为架构建筑钢铁之躯的结构专业，如何能更好的把握建筑专业的脉搏。这里结合某超限高层建筑物-欧华大厦的结构设计，详细介绍结构超限高层设计的过程，包括超限判定、计算分析和构造措施等，以期为类似工程设计提供参考。

超限高层建筑；结构设计；超限认定；计算分析

0 引言

近年来出现了越来越多的超限高层建筑。为了规范超限高层建筑设计,建设部于2010年7月颁布了《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》[1]。按照此管理规定，在对超限高层建筑物进行结构设计时，除了遵循有关结构设计规范之外，还要对建筑结构的技术实施标准和超限程度进行合理控制。通过采取抗震设防措施，提升建筑的结构强度和稳定性。

1 工程概况

本工程项目总占地面积与总建筑面积分别为0.323万m2与1.613万m2,建筑分地上与地下两层，地上与地下建筑面积分别为0.29万m2与1.323万m2，地上18层，总建筑高度56.9 m，地下层高4.7 m,一层裙房高度6 m，二层裙房高度3.9 m，标准层高度2.9 m（效果及三层平面图见图1)。塔楼高宽比与长宽比分别为3.58与2.85。建筑抗震设防类别与结构安全等级分别为丙类、二级。抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度0.05 g。设计地震分组：第一组,场地类别Ⅲ类，特征周期Tg=0.45sec，建筑类别调整后用于结构抗震验算烈度为6度，建筑结构的阻尼比取5%。本楼采用框架、剪力墙结构体系，嵌固端取为地下室顶板，框架抗震等级四级、剪力墙三级，50年一遇的基本风压0.35 kN/m2,地面粗糙度B类。

2 超限认定

在认定本工程超限情况时，本文主要结合建设部《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）简称《技术要点》进行初步判断，具体超限情况如下[2]：

工程18层开洞面积≥30%，属于楼板不连续（见图2）。

工程最大扭转位移比在SATWE和PMSAP中分别为1.20和1.24，二者均＞1.2，属于扭转不规则。

按照本建设功能布局需求，大厦裙房结构无条件设缝，且塔楼与裙房的Y向质心偏心距与X向底盘分别为10.69 m和36.7 m，且偏心29.1%，因此本工程经评定属于塔楼偏置较大（见图3）。以上超限情况汇总与表1、表2。

图1 建筑效果及平面图

图2 楼板不连续

图3 塔楼偏置

表1 建筑结构一般规则性超限检查

表2 建筑结构严重规则性超限检查

3 计算分析

本工程的抗震设防类别和结构安全等级分别设计为丙类、二级。抗震设防烈度为6度，场地土类型为Ⅲ类结构的阻尼比在多遇地震作用下的弹性分析时取0.05，水平地震影响系数最大值为0.04。罕遇地震(大震)影响系数最大值为0.28，地震作用同时考虑双向地震作用和偶然偏心的不利影响。分别采用考虑扭转耦联的振型分解反应谱法及弹性动力时程分析法计算结构响应，并选用较多的振型以充分考虑高阶振型的影响。各振型贡献按CQC组合，竖向力按模拟施工加荷方式计算。模型分析选取振型数目为21个。针对本工程的超限情况，拟进行多遇地震作用下整体分析和罕遇地震下静力弹塑性推覆验算，具体计算措施如下：

采用SATWE及PMSAP两种不同力学模型的三维空间分析程序进行本工程总体建筑结构的内力和位移比分析计算。

通过弹性动力时程分析法对多遇地震条件下的建筑结构总体荷载进行补充计算。

通过pushover方法对罕遇地震条件下建筑结构进行补充计算分析。

3.1 多遇地震作用下计算分析

1）采用SATWE和PMSAP计算分析本项目采用SATWE和PMSAP两种不同程序分别计算，两种程序从计算结果来看总体较为接近，剪重比、周期比、层间位移角等指标均满足相关规范要求，扭转位移比除裙房局部角柱计算值超过1.2，其余均满足规范不大于1.2的要求。主要计算对比见表3。

表3 结构分析主要结果对比（小震作用）

表4 时程分析与时程分析结果对比表

2）弹性时程分析计算

采用弹性时程分析法进行多遇地震作用下的补充计算，地震波由中国建筑科学研究院工程抗震研究所提供。在弹性分析时主要选取Ⅳ类场地上的人工地震波RH1-AP、TH4TG090及实测地震波TH1TG090，规范要求设防烈度7度（0.10 g）时，多遇地震时程分析采用加速度时程曲线的最大值为35 cm/S2，在时程分析过程中阻尼比和步长分别取0.05和0.02 s，取地面运动最大加速度为18 gal，然后对七组地震波进行了计算分析，具体计算结果见图3及表4。

从结果来看，每条时程曲线计算所得的结果底部剪力大于振型分解反应谱法结果的65%，小于振型分解反应谱法结果的135%。多条时程曲线计算所得结果底部剪力大于振型分解反应谱法结果的80%。因此，SATWE和PMSAP的振型反应谱计算多遇水平地震作用，分析结果基本吻合，指标能够满足基本设计规范要求。

图4 时程分析计算结果

3.2 罕遇地震作用下计算分析

本工程还进行罕遇地震下整体结构弹塑性变形验算。运用PUSHOVER程序对结构罕遇地震作用下静力弹塑性推覆计算，结果表明：在两个计算方向上，结构能力谱曲线与罕遇地震的需求均有交点，罕遇地震作用下最不利层间位移角为1/394（加载步67.6），满足规范1/100的限值要求，具体见图4。

图5 PUSHOVER计算结果

4 针对超限的构造措施

针对建筑物塔楼偏置，适当加大裙房塔楼另一侧柱截面以及框架梁面积，平衡整体刚度。

将建筑物裙房外围框架柱抗震等级提高一级，箍筋全高加密，减小结构扭转效应与扭转位移比。

适当提高该建筑裙房部分X向框架梁与楼板的配筋率，提升建筑结构抗扭性能，裙房屋面双层双向配筋，板厚增加至120 mm。

因该建筑部分楼层楼板不连续，因此对于大洞区域的周边板块，板厚增加至120 mm，并采取双层双向配筋，从而提高楼板配筋率。

5 结语

以某工程为例，详细阐明了超限结构设计流程。首先，应明确超限结构类型，以此判定结果展开下一步工作。其次，采用至少两个分析模型进行多遇地震下整体结构分析，对计算结果进行比较分析，并判明薄弱部位。再则，选取多组地震波进行弹性时程分析法，对其进行多遇地震作用下的补充计算，必要时还应补充罕遇地震作用下整体计算分析，采取适当措施加强结构薄弱部位。

[1]王奇,张根俞,张路.鄂尔多斯东方大厦结构设计[J].建筑结构,2013,43（1）：52-56.

[2]楼梦麟,杨明珏.地震动摆动分量对高层建筑结构的影响[J].结构工程师,2014,30（1）：86-92.