某超限高层的抗震性能化设计要点

李静浪 胡 健

(1.浙江交工集团股份有限公司设计分公司，浙江 杭州 310053； 2.杭州汽轮工程股份有限公司，浙江 杭州 310015)



某超限高层的抗震性能化设计要点

李静浪1胡 健2

(1.浙江交工集团股份有限公司设计分公司，浙江 杭州 310053； 2.杭州汽轮工程股份有限公司，浙江 杭州 310015)

结合某高层建筑的结构体系和超限情况，确定了该建筑的抗震性能目标，阐述了其超限抗震设计方案，并通过弹塑性静力分析，验证了方案的可行性，满足小震不坏、中震可修、大震不倒的要求。

高层建筑，结构体系，抗震措施，弹塑性分析

1 工程概况

某公司拟建一科研大楼，地下3层，地上11层。1层中部设置通高大厅，2层相应位置开设大洞。1层大厅对应位置，在3层结合4，5层设置通高空间的报告大厅。5层相应位置设置了一转换层，采用了型钢混凝土桁架进行了竖向构件转换。其余楼层为办公及会议等功能空间。地下1层层高5.1 m，地下2层4.6 m，地下3层3.6 m；1，2层层高4.79 m，3层～10层层高3.7 m，11层层高4.2 m，总高度43.4 m。抗震设防类别：丙类；抗震设防烈度：6度，设计基本地震加速度0.05g，设计地震分组为第一组，场地土类别Ⅱ类。

2 结构体系和超限情况

本工程采用框架—剪力墙结构，地下室顶板为嵌固端，剪力墙及框架抗震等级均为二级。图1为该结构的三维模型。

因建筑功能需要，2层，4层楼板均开设大洞口(见图2)，导致有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%；6层中部(对应4层中部大洞口处)部分框柱通过5层的桁架转换构件向下传递，属竖向抗侧力构件不连续，同时，这又造成了楼层抗剪承载力突变。已有三项不规则类型。经验算，发现在裙房以上的较多楼层，考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.4，属于扭转偏大。不规则指标达到了四项(为减少扭转，曾尝试在两侧的核心筒周围增设剪力墙，为减小楼层抗剪承载力突变，尝试加大转换层以下各层的剪力墙厚度以增加底部几层的侧向刚度，虽然上述两种尝试有一定效果，但同时又会导致扭转刚度弱，扭转周期比大于0.9，不规则指标依旧超限。经过方案比较，保留了原结构布置方案，以规避扭转刚度弱这一不规则类型)。须对该高层进行专门研究和论证，针对超限情况进行性能化设计。

3 抗震性能设计目标定为“C”类

在满足现行规范的同时，根据抗震性能化设计的概念，针对本工程的超限情况，综合考虑本工程的抗震设防类别、设防烈度、场地条件以及工程造价、震后损失和修复难易程度等因素，最终本项目性能目标定为“C”类：

1)结构遇小震后，完好无损伤，一般不需修理可以继续使用(性能水准1)；

2)结构遇中震后，耗能构件轻度损坏、部分中度损坏，普通竖向构件轻度损坏，但关键部位的构件属轻微损伤。宏观上属于轻度损坏，震后经一般性修理可继续使用(性能水准3)；

3)在罕遇地震下，耗能构件中度损坏、部分比较严重损坏，普通竖向构件部分中度损坏，但关键部位的构件属轻度损伤。整体中度损坏，须经修理或加固后方才可继续使用(性能水准4)。

4 超限抗震措施

1)针对扭转不规则和扭转偏大，在小震计算时须考虑双向地震作用。

2)对于开设大洞口的楼层，计算时周边楼板设置弹性板，考虑大开洞带来的不利影响。大洞口周边加大板厚，加强楼板配筋。

3)确保剪力墙墙肢正截面承载力及斜截面抗剪承载力均满足中震弹性的性能要求。

4)控制剪力墙墙肢的剪应力水平，确保在大震作用下墙肢不发生剪切破坏、满足抗剪截面控制条件。

5)在大震作用下转换桁架的杆件满足大震不屈的性能要求。

6)框架柱、转换桁架杆件正截面承载力及斜截面抗剪承载力均满足中震弹性的要求。

7)本工程转换桁架与相邻竖向构件采用刚性连接，支撑桁架的框柱设置钢骨，与桁架的斜腹杆焊接，确保桁架与剪力墙的刚性连接。将转换层设为薄弱层。

8)对转换桁架上弦杆所在楼层，加大楼板板厚并加强配筋，并进行楼板抗剪承载力验算。

9)补充静力弹塑性分析(Pushover验算)，复核结构弹塑性层间位移，观察结构的薄弱部位出铰机制和出铰顺序及屈服程度，根据结果对关键部位(或构件)进行有针对性的加强，确保大震安全。大震作用下的弹塑性位移角应不大于1/100。

5 小震作用下转换层验算

在不考虑楼板传递水平力的假定条件下验算转换桁架传递水平荷载的承载能力(即转换层“零楼板”验算)。在计算模型中将转换层的桁架区域楼板设为弹性膜，即不考虑楼板刚度作用(见图3)，取桁架杆件的最不利内力组合，根据《混规》第6.2.25条及《型钢混凝土组合结构技术规程》第6章进行验算。经验算，桁架所有杆件均能满足要求。

转换层楼板应按《高规》第10.2.24条进行抗剪承载力验算。转换层上部的框柱柱底剪力设计值由Satwe计算而得，经验算，楼板受剪承载力满足要求。

6 中震设计

在设防烈度地震作用下，本工程结构竖向构件的性能目标是“中震弹性”，根据《高规》3.11.3条的规定，在中震作用下，结构构件抗震承载力应符合下式的规定：

经验算，中震作用下结构竖向构件均能实现“弹性”的性能目标。

7 大震设计

预估的罕遇地震作用下，本工程各类关键竖向构件的主要构件的性能目标分别是:

1)剪力墙及框柱：主要墙肢满足截面控制条件。

2)转换桁架杆件及转换柱：不屈。

7.1 首层墙肢截面大震作用下抗剪承载力计算

根据性能水准4，大震作用下钢筋混凝土竖向构件的受剪截面应符合下式要求：

7.2 转换层桁架大震作用不屈计算

根据《高规》第3.11.3条，大震作用下关键构件的承载力应符合下式要求：

经验算，大震作用下，剪力墙主要墙肢、转换桁架、转换柱能满足相应的性能目标要求。

8 弹塑性静力分析

根据《高规》第5.1.13条的规定“……和本规程第10章规定的复杂高层建筑结构，尚应……”，本工程为带转换层的高层，宜采用弹塑性静力分析方法(Pushover分析)补充计算。主要可以实现以下目标：

1)通过小震性能点下的结构响应分析，可校核小震作用下结构的受力与变形状况。

2)通过分析得到结构能力曲线，并与需求谱曲线比较，可判断结构是否能够找到性能点、整体上满足预定的大震需求性能目标。

3)判断在性能点状态下的最大层间位移角是否满足层间弹塑性位移角限值。

4)模拟地震作用不断加大水平力，观察加载过程中构件的破坏顺序(塑性铰的发展)是否与概念设计预期相符；结构构件的变形，是否超过某一性能水准下的允许变形。

5)对大震作用下结构的薄弱部位以及各构件的塑性发展程度有个定性的考察，对须加强设计的构件提供理论依据。

静力弹塑性分析(即Pushover分析)采用中国建研院的PUSH&EPDA软件进行计算，由计算结果可知，建筑物的需求谱与能力谱曲线在X向和Y向均可以得到交点(X主方向性能点对应的最大层间位移角为1/826，Y主方向性能点对应的最大层间位移角为1/830)，结构满足在大震作用下预定性能水准的要求。另外，由于剪力墙的延性较好并且框柱起到了第二道防线的作用，结构在达到性能点后仍能继续承载。

9 结语

针对超限情况，综合考虑结构特殊性、抗震设防烈度、建造费用等因素，确定抗震性能目标，再根据性能目标的各性能水准，采用相应的计算方法和抗震措施，为本工程的设计思路。随着社会经济的发展，人民对建筑功能有了更多的要求，超限项目会不断增加，本超限高层采用的设计方法和抗震措施能为今后类似项目提供一定的借鉴。

[1] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

[2] JGJ 3—2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[3] GB 50010—2010，混凝土结构设计规范[S].

[4] JGJ 138—2001，型钢混凝土组合结构技术规程[S].

The seismic performance design key points for a super high-rise building

Li Jinglang1Hu Jian2

(1.DesignBranch,ZhejiangJiaogongGroupLimitedCompanybyShare,Hangzhou310053,China; 2.HangzhouTurbineEngineeringLimitedCompanybyShare,Hangzhou310015,China)

Combining with the structural system and overrun situation of a high-rise building, this paper determined the seismic performance target of the building, elaborated its overrun anti seismic design scheme, and through the elastic-plastic static analysis, verified the feasibility of the scheme, meet the requirements for viscous dampers.

high-rise building, structural system, seismic measure, elastic-plastic analysis

1009-6825(2017)09-0031-02

2017-01-15

李静浪(1978- )，男，工程师； 胡 健(1974- )，男，工程师

TU352

A