高层建筑结构抗震设计分析

（开封大学，河南开封475004）

1 高层混凝土建筑抗震结构设计的必要性

高层混凝土建筑抗震结构设计的必要性首先表现在后期建筑物的长期应用中。因为高层建筑物往往涉及大量的使用人员，如果在应用过程中存在着明显安全隐患，势必会带来较为恶劣的隐患，人民群众的生命财产安全得不到较好保护。所以，地震灾害作为不容忽视的一个危险来源，需要引起高层建筑设计人员的高度重视，在结构设计中充分考虑抗震设计需求，提升整体高层建筑物抗震性能。另外，对于未来我国高层混凝土建筑工程的发展而言，其结构往往更为复杂多样，这种创新性发展不仅仅需要得到技术层面的支持，往往还需要重点从设计层面予以适应性调整，促使结构设计方案同样也能够紧跟整体高层建筑工程发展步伐。抗震设计作为其中重要组成部分，同样也应该加大关注力度，以求较好推动整个高层混凝土建筑行业的创新发展，避免该方面形成阻碍因素。

2 高层建筑结构抗震作用下的性能水准

2.1 小震作用下性能水准

这项性能水准对建筑结构的各项指标均提出了较高的要求，使周期比和位移比均满足了建设规范，尤其是对于高层建筑结构的扭转效应产生了良好的控制。每个楼层的侧向刚度都达到了一定的标准，与相邻上部楼层的侧向刚度相比可以达到其标准的70%，而与相邻三层楼层的侧向刚度相比则可以达到其平均值的80%左右。建筑结构的各方向布置均符合规范规则，不存在薄弱层都有质量缺陷的楼层；同时各楼层之间的位移角的大小达到了建筑工程标准，而高层结构顶点的最大加速度限值也满足了标准规范，此外从整体上来看无论是楼层结构的侧向刚度还是舒适度都在合适的范围内。当刚重比大于1.4时高层建筑结构的整体稳定性可以得到有效的保障；而当刚重比大于2.7时，则不考虑重力二阶效应。对建筑结构在该性能水准下的计算结果都满足《高规》的相关要求，同时振型分解反应谱法和时程分析的结果具有相同的统计意义。在对高层建筑结构缓解地震作用时产生的效应进行计算时，按照工程要求已将结果取平均值，而对震型分解反应谱法计算结果则取的是较大值。

2.2 中震作用下性能水准

高层建筑物在该性能水准要求下具有较高的抗地震作用能力，在设防烈度的地震作用下建筑结构会进入非弹性工作阶段。同时，地震对高层建筑结构体系的损坏程度不会进入不可修复的范围，对于重要的结构构件例如支柱，剪力墙底部加强部位等建筑结构应该始终保持不屈服的状态，这样在地震作用结束之后便可以通过对建筑结构进行简单的修复即可以继续使用。一般情况下，中震的烈度比通常遇到的地震烈度约大1.55°，在进行计算分析时要将建筑结构的水平地震影响系数调整到0.23，相较于小震下的0.08有所升高。此外，对于建筑材料的强度也会有所提高，例如抗震承载力调整系数取1.0等。

2.3 大震作用下性能水准

通常建筑物在该性能水准下具有较高的抵抗地震作用能力，在地震中结构不会产生扭转效应，同时建筑结构的最大侧向位移和水平位移限值均满足规范要求，并且在局部楼层梁上会出现塑性铰对建筑结构进行加固。此外，在地震作用下建筑周围的型钢混凝土柱绝大部分都不会进入塑性阶段，因此可以有效的确保底部的剪力墙始终保持着较好的承载能力。

3 结合工程实例的高层建筑抗震设计

3.1 工程概况

某超高层酒店总建筑面积约3.7万m2，主楼地上31层，地下2层，地上部分1-2层为商业裙房，3-31层为酒店，地下室为两层车库。建筑高度为139.6m，屋顶构架结构顶标高达到151.5m，地上部分各层层高均为4.5m，地下室两层层高分别为5.2m、3.5m，基础埋深约为9.0m。本工程结构形式为框架-剪力墙结构，设计使用年限为50年，建筑安全等级为二级，建筑抗震设防分类为丙类，抗震设防烈度为6類度，设计地震分组为第一组，场地别为II类，设计基本加速度值为0.05g，场地特征周期为0.35s，框架及剪力墙抗震等级均为二级，整体计算嵌固端为地下室顶板。本工程地上平面呈内角为115度的L形，典型平面柱网为4.8mX6.7m及7.0mX7.9m，。其中二层平面L形拐角处因酒店大堂要求通高大空间而导致大范围楼板开洞且无框架梁拉结；标准层因酒店房间功能单一，故除开拐角处、两个核心筒、两侧山墙面布置有剪力墙外，其余均为框架+整跨楼板。

3.2 结构超限分析判断

本超高层酒店采用框架-剪力墙结构体系，其抗侧力体系主要由剪力墙形成第一道防线，混凝土柱形成第二道防线，水平设置连梁和框架梁形成主要耗能体系。酒店标准层平面尺寸为（41.5m+35.0m）x17.5m，结构高宽比约为5.46（按最不利等效宽度25.57m计算），结构高度139.6m大于130m，即超过规范规定的钢筋混凝土框剪结构的A级高度限值，属于B级高度高层。

根据YJK2.0.3模型计算结果，结合建质[2015]67号《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》中的条文规定，结构考虑偶然偏心的扭转位移比为1.39＞1.2；L形的平面形状导致偏心率大于0.15、平面凹凸尺寸大于相应边长的30%；二层拐角处的门厅大堂开洞和电梯井洞太近，导致拐角处楼板有效宽度小于50%；同时二层的门厅大堂开洞也产生了局部的穿层柱。

综上所述，本结构存在：1a扭转不规则、1b偏心布置、2a凹凸不规则、3楼板不连续以及7局部穿层柱的问题，同时具有I类超限分类表中四项不规则，属于B级高度超限高层结构。

4 抗震加强措施

针对本工程的超限情况以及结构布置，在结构抗震设计中，采取了多项加强措施以提高重要构件及节点等的设计标准。

4.1 针对二道防线的措施

本工程剪力墙作为结构抗侧力的第一道防线，第二道防线为钢筋混凝土柱与外框钢筋混凝土梁组成的钢筋混凝土框架，为保证第二道防线的可靠性，采取如下措施：（1）在尽可能控制经济性能并不影响建筑功能的前提下，采取控制柱轴压比、增大柱截面与加大外框梁截面的方式以提高外框架的抗侧刚度，增加外框架的剪力分担比。（2）通过框架剪力按0.2V0与1.5Vf，max调整的方式，提高外框柱强度储备，保证二道防线安全。

4.2 针对剪力墙的加强措施

为增强剪力墙的受力性能，改善剪力墙的延性，采取如下措施：（1）严格控制加强区墙体在重力荷载代表值下的轴压比在0.6以下，对楼板洞口周边的剪力墙适当加厚。（2）在较长墙肢中设置结构洞口，以减小单片墙肢的长度和刚度。（3）底部加强区域内，提高角部墙体的约束边缘构件配筋率，提高加强区墙体的承载力和延性。（4）严格控制剪力墙截面的剪应力水平，适当提高底部加强区剪力墙水平钢筋的配筋率，以提高剪力墙的抗剪承载力。（5）底部楼板洞口周边剪力墙加强平面外墙肢约束，以提高其墙体稳定能力。（6）在不影响建筑功能的情况下，剪力墙设置边框柱，并安规范要求设置暗梁。

4.3 针对外框柱的加强措施

（1）在尽可能控制经济性能并不影响建筑功能的前提下，适当加大柱的截面，特别是楼板开洞周边的框架柱，严格控制抗剪截面控制条件。（2）严格控制柱在地震作用下的轴压比，同时控制框架柱截面的剪应力水平。（3）底部加强区的框架柱适当提高纵向钢筋的截面面积（不小于柱截面面积的1.0%），增加框架柱刚度。（4）越层柱全部采用加芯柱的钢筋混凝土柱，适当提高芯柱的配筋率，并严格控制其重力荷载代表值下的轴压比，适当提高越层柱箍筋的配筋率，对箍筋全高加密处理。

4.4 针对楼板的加强措施

（1）适当增加中庭大堂洞口周边相关区域及相邻层楼板厚度和配筋率，并采用双层双向配筋加强、增设放射筋及角筋等加强措施。（2）对电梯井前室、拐角部位楼板适当加厚，并采用现浇混凝土和双层双向配筋加强。（3）地下室顶板作为嵌固端，板厚不小于180mm，配筋双层双向且配筋率不小于0.25%。（4）中间拐角部位楼板厚度和配筋适当加强，特别是在L形平面内凹角部位增設结构板，并加强构造处理。

4.5 针对框架梁的加强措施

（1）二层中庭洞口外边框梁在大震下可能存在全截面受拉，故采取增大截面尺寸、梁全长通长配筋、箍筋全长加密的措施。（2）标准层外框梁受扭严重，采取箍筋全长加密和设置抗扭腰筋的措施增强其抗扭能力。（3）屋顶构架层高度较高，且无楼板拉结，鞭梢效应较大，采用增强框架配筋率、钢筋采用机械连接的措施。

4.6 针对偏心布置的加强措施

主楼平面不规则，中部剪力墙主要集中在楼梯与电梯间一侧，层偏心率大于0.15，采取如下加强措施：（1）计算计入扭转影响，严格控制在规定的水平力及偶然偏心作用下楼层两端弹性水平位移（或层间位移）的最大值与其平均值的比值大于1.5。（2）适当增加外框梁刚度和少墙侧框架柱截面及配筋。

5 结论

从上述对本工程的超限判定和抗震加强措施中，我们不难发现一些共性的问题和解决方法：（1）对总高较高（如B级高度）的框架-剪力墙结构，底部加强区竖向构件的承载力及延性至关重要，一般都需要严控轴压比、适当加大配筋等方式来加强处理；同时还要通过长墙开洞及加大柱刚度等方式来合理调节墙与柱的剪力分担，确保第一道防线的同时加强第二道防线。（2）对平面呈L形的异形结构，往往都存在偏心布置及凹凸不规则的问题，计算过程中周期及位移等指标也较难算过，此时可在L形两端设剪力墙、加强拐角处楼板以及适当提高外框架刚度。（3）对于楼板不连续及楼板开大洞的位置，则可通过加强洞口周边所有构件刚度、加大相邻楼层相同位置的板厚及配筋等方式来处理。