某小区超限结构抗震设计分析

罗奎

（中信建筑设计研究总院有限公司 湖北武汉 430014）

1 引言

一些超限结构建筑属于高度超限、平面扭转不规则以及平面凸凹不规则的超限高层建筑。本文将结合三个空间分析程序SATWE、PMSAP和MIDAS进行对这些超限建筑的抗震系数进行计算，尽可能的做到让建筑能达到“小震不坏、大震不倒、中震可修”的抗震设防要求。如某一规划高层建筑住宅，其结构便为全现浇钢筋混凝土剪力墙的结构，建筑层数高达51层，分为地下2层和地上49层。地下二层的结构层高达4.5m，下一层结构层高达5.0m；地面首层层高为4.0m，以上其他住宅层层高均为3.0m，建筑至大屋面的高度为154m。

2 工程案例

如某一工程位于某地区，该工程包括了地下3层和地上33层的建筑，总高度达133.15m，是一个典型的商业住宅建筑。这项工程的结构抗震设防烈度为Ⅶ度，考虑到建筑立面及空间使用的要求，该工程使用的是竖向抗侧力构件（柱、剪力墙、支撑）不连续技术，这项工程的设计便属于抗震超限建筑。通过对建筑结构进行布置，构件尺寸进行优化和对结构整体进行一系列的计算与对关键构件的内力进行分析，从而对工程的抗震性能有了可靠的保证。

3 高层建筑超限结构的特点分析

根据超限建筑物本身进行构建有利的特点而言，在工程建设时，其结构材料一般使用常规的钢筋混凝土结构就能够解决问题，并不需采取钢结构或者钢－混凝土组合结构，这样便可大大降低工作量，节约建设成本。但钢筋混凝土结构的重量过大，周期也相对较长，由于这些因素，在一般建筑应用中常常会根据结构本身的特点针对性的做出选择，选择采用何种结构，并不是单一的局限于某一种建筑结构，如果采用框架——核心筒的结构体系就已经可以满足建筑对刚度和受力要求，就不需要再通过加强层、蒙皮或巨型支撑等特殊的手段加强建筑的刚度和受力。在常遇地震和风载作用下，根据工程自身的指标，建筑的最大层间位移角为Y向的设计时要大于规定的限值（见表1），以确保建筑在恶劣自然灾害下仍能保障居民的安全。

表1 自振周期计算结果

4 对于高层建筑超限设计因素的分析

4.1 基本抗震设计方法是否可以满足抗震性能目标

小震作用的计算分析结果往往是借助振型分解反应谱法或者弹性动力时程法来实现；中震就是通过结构构件的屈服判断分析法对高层建筑的控制作用进行讨论与分析；大震通常是借助静力弹塑性的Pushover推覆分析以及动力弹塑性分析对高层建筑结构实施单独分析与计算，之后对所得的结果进行对比分析，并判断检测建筑结构是否满足相关抗震的规范要求。结构抗震性能设计思路：①可依据多遇地震及风荷载等荷载作用下的建筑结构弹性的计算结果结合按现行规范来进行结构设计。②通过屈服判别法对设防烈度地震作用下结构构件的屈服进行验算，并分析建筑结构所受到的损伤程度是否严重。③采用静力弹塑性的方法对罕遇地震作用下的弹塑性层间位移角等指标进行验算，判断是否达标，并对建筑结构的受损程度进行分析比较，最后确定建筑结构的薄弱部位在哪里，加强其抗震效果，有效的对结构抗震提出有效的加强措施。

4.2 考虑风载作用控制情况和验算风作用下的舒适度

由于超限结构的建筑往往都具有高层的特点，根据以往经验来看，对于高度较大的超限建筑往往都不是因为地震带来控制作用，很大一部分原因都是由于风力作用引起建筑左右摇晃。因此，虽然风力载荷作用不作为抗震超限审查的必须项目，但从建筑结构周期的特点上分析，风荷载作用仍需要被考虑到超限设计分析中。在进行指标的具体分析时，要先从其他一些受相邻超高层建筑风扰影响的超高层建筑的风洞实验的结果下手着重进行分析。如在实际生活中可能会出现横风作用大于顺风作用的超限结构工程的控制作用情况，这时，就是要结合该工程的超限结构和体型特点的综合考虑，预估计当由横向风左右时，对超限结构的影响比顺风而起的控制作用的增大值要超出多少（可将两个方向的风压值分别乘以1.3的放大系数进行相应的位移和强度计算），通过数值来判断真正对建筑结构起控制作用的横向风作用和最好的舒适程度。

4.3 根据高层超限刚度需求和结构构件分析温差效应

因为高层竖向构件、筒体的硬度与横截面相对较大，所以会对现浇混凝土楼盖梁板由温度变化导致其出现水平方向的裂缝进行有效控制，从而让建筑每个部件之间产生相互约束的应力，达到建筑结构内部的动态平衡。一般来说，在实际设计过程中，必须优先分析混凝土终凝过程中温度的变化以及有楼屋盖施工对建筑结构产生的附加应力。

4.4 针对超限分析要考虑混凝土徐变收缩对结构的影响

徐变收缩是一个专属于混凝土的特征，钢结构便不会受徐变收缩影响。在混凝土结构中，压应力的作用随着时间的积累会使混凝土持续变形，直至达到一定程度上的积累，这就是徐变变形。一般情况下，超限高层建筑的竖向高度都很大，会发生徐变变形（且累计变形量较大）和收缩变形。当二者相伴同时发生时就会产生形变叠加作用，导致整个超高层建筑竖向构建后期非荷载直接引起的塑性形变达到一个量级无法恢复，严重时还会接近甚至超过最大荷载而直接引起弹性形变，因此，这一形变不容小觑，要高度重视，因为极有可能对一些结构构件和非结构构件造成很大的负面影响。在工程实施前的工程设计上，要对混凝土徐变收缩的影响做好量化分析，正确估计其产生影响的程度，并针对可能出现的问题制定出针对性的措施，进一步为建筑结构与非建筑结构提供一定的质量保障。比如当建筑结构出现外围钢管柱压应力水平高、内部筒体压应力水平低，弹性压缩变形为外围柱大、内筒处小等一系列情况时，因弹性压缩变形差距较大，连接钢管柱和混凝土的框架就会有很大的附加内力，可以很大程度上的控制梁端配筋，有效的控制可防止严重超筋的现象发生。由此看来，采取可靠的施工措施可以让框架梁的钢筋最大程度的用在抵抗载荷的作用上，避免因硬抗非荷载作用的附加内力使框架梁的钢筋浪费。

5 高层结构超限设计中主体问题的解决措施

（1）在对洞口周边楼板进行设计时，洞口周边的楼板要按弹性板进行设计，相应楼层的楼板加厚至150mm，配筋率控制在0.35%以上，并对楼板采用双层双向通长配筋的加强措施。

（2）适当增加框架部分外圈边梁的截面，使质心与刚心的位置尽量接近，以便更有效的提高结构整体的抗扭能力和减小地震作用时的扭转。

（3）在确保符合强柱弱梁的设计原则的前提下严格控制框架柱的轴压比，同时加强框架柱的配筋。

（4）对超限高层采用两个不同的且适合于结构实际受力情况的有限元分析计算程序，通过振型分析反应谱法来对结构进行了多遇地震作用下的整体分析与计算，并且对多遇地震作用下的弹性时程进行准确的分析与计算。

（5）对工程进行超限设计时，要充分结合高层超限建筑结构特点，既要有对建筑本身对抗震要求的内容，还需要对混凝土的徐变收缩、风载作用、温差效应、钢管柱与混凝土内筒间竖向压缩变形差对框架梁产生过大内力的对应措施等多方面进行设计与分析，这些因素虽然不是在进行抗震超限审查时必须的内容，但是这些内容对高层超限结构的设计实施有着决定性的影响，必须得到分析和解决。

6 结束语

综上所述，本文结合了几个具体的实例对某小区的超限结构从抗震、舒适度、徐变收缩以及对主体问题的解决措施等方面进行了详细的分析与计算。不仅如此，在通过软件对施工实施模拟分析的过程中，必须全面分析施工过程中主体结构受到地震、风载、活载以及恒载的不同变化；在计算的过程中，需要考虑其对各种混凝土收缩变化的不同影响，如此一来，才可以符合高层超限结构设计的相关规定。

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