高层建筑结构抗震超限设计研究

何雄彬

（中交广州水运工程设计研究院有限公司，广东 广州 510220）

随着建筑行业的快速发展，高层建筑得到了广泛建设。考虑到建筑抗震性能要求，需要对建筑高度及相关结构指标进行限定，以免建筑因遭遇地震而发生严重损坏，给人们的生命、财产安全带来较大威胁。因此，还应加强高层建筑结构抗震超限设计研究，确保人员采用科学方法完成建筑结构设计，继而为建筑的建设和使用安全提供保障。

1 高层建筑结构抗震超限设计原则及要点

1.1 设计原则

（1）能量原则。在结构抗震设计方面，需要根据性能目标对结构在地震地面运动下的预期性能水准进行设定。按照《建筑地震破坏等级划分标准》【（90）建抗字第377号】等相关规范，得到各地震水准下建筑结构预期性能目标，如表1所示。遵循能量原则，在抗震设计中需要加强结构安全性评价。在构件拥有较高承载力的情况下，可以降低延性要求，达到性能1多处于弹性状态，处于性能2水平可能发生屈服，性能进一步下降会发生塑性变形，在性能4状态下遭遇罕见地震将接近严重破坏水平[1]。在超限设计中还要做到合理选用性能目标，对结构不规则等因素进行充分考量。

表1 各地震水准下建筑结构预期性能目标

（2）目标原则。在结构抗震超限设计中，还要满足三水准目标原则，确保结构设计达到检查标准。从总体上来看，需要达到3个层次的目标。首先，建筑遭遇小型地震后，应实现无需处理即可直接使用的目标。具体而言，在发生强度较小的地震后，建筑结构不会出现裂缝或损坏等问题，事后无需维修就能正常使用建筑各项功能。其次，需要达到中震可修的目标，即在建筑所在地区发生破坏性地震后，由于结构本身抗震等级与发生的地震能够达到大致相当的水平，所以结构只会发生一定程度的破坏。针对这一问题，通过适当维修和处理能够使建筑功能陆续恢复，继而使建筑能够得到正常使用。最后，应遵循大震不倒原则，即无论发生多强的地震，建筑物都不会出现倒塌问题。达到这一目的，尽管建筑难以通过维修恢复原本功能，但能避免因建筑物倒塌而带来重大人员伤亡。

（3）方法原则。在实践设计活动中，要遵循一定的方法原则。随着建筑业的发展，高层建筑功能、结构日渐复杂，结构抗震性能容易受到多方因素影响，在超限设计时还要对各建筑结构展开单独分析，通过精确分析对设防标准进行细化和量化。遵循性能分辨原则做好性能指标选择，能够使结构可靠性得到保证。设计活动应当划分为两个阶段，第一阶段对小规模地震状态下的建筑弹性展开计算，根据结果范围施加地震效应与荷载力，加强结构承载力分析，然后根据抗震性能要求进行系数调整，实现截面合理设计，加强各弹性层位移角控制，能够使建筑抗震性达到基本抗震性要求。将前一个阶段的分析结果当成依据，合理进行材料选择，并采用抗震措施强化对建筑弹性、变形等方面的控制，能够使建筑满足强地震状态下抗变形要求。遵循强柱弱梁和强剪弱弯这两个高层建筑结构设计基本原则，能够通过增强结构刚度和强度促使超限设计朝着合理化的方向发展，继而使建筑抗震性得到提升。

1.2 设计要点

（1）实施规则化设计。针对高层建筑实施结构抗震超限设计，还应通过规则化设计加强结构质量控制。在对结构性能展开综合分析基础上，应合理进行平面规划，使结构功能布局保持合理。结合工程实际情况进行结构优化，还应保证结构扭转刚度在可靠范围内，避免因结构发生扭转造成结构整体性被破坏。实施规则化设计，能够使结构保持均匀、对称，正确、合理地进行剪力墙分布。如果未能做到合理布置剪力墙结构，将造成薄弱位置在地震发生时出现变形、位移等问题，造成结构受到严重破坏。在建筑楼层较多的情况下，保证结构得到规则化设计能够降低因外部应力突增而发生结构破坏的可能性，使建筑发生的破坏达到最低。

（2）把握平、竖面规则。结合结构抗震超限设计要求，还要把握建筑平、竖面规则。在运用平面规则的结构设计环节，应采用弹性楼盖模型，加强局部弹性和分块刚性分析，确定结构发生的耦联效应。在建筑楼板不连续或结构不规则的情况下，需要加强楼板平面刚度变化分析，确定应力集中或薄弱位置，采取增加配筋或增厚方式对结构进行加固，促使结构抗震性得到提高。针对楼板连接位置，还应完成变形缝的设置，完成多个子结构对称的平面结构布置，使抗侧力构件充分发挥扭转效应，促使外围竖向构件获得更强抗侧刚度。采用竖面规则进行结构超限设计，还应加强立面收进引发的问题研究。采用台阶形结构，对立面进行多次内收，能够避免位移沿着竖直方向发生突变，达到有效控制结构扭转效应的目的。强化竖向构件偏心控制，可以避免底部结构因上部扭转产生过大作用力。在立面需要开大洞的情况下，还应加强洞口及周边结构质量控制，从而通过强化结构达到结构抗震性要求。

（3）加强关键要素控制。想要通过超限设计使建筑结构的抗震性能得到提高，还要加强层间位移等关键因素控制。从地震状态下层间位移发生情况来看，其主要受到平面规划的影响，因而采用的钢筋混凝土结构应从施工材料选择、工程高度、价格体系等角度考虑层间位移控制问题，做到平面规划。在实践设计工种中，还要加强结构层面优化设计，保证各结构单元拥有相同的单元和地基性质，保证结构形式一致。采用位移结构抗震法实施超限设计，能够使结构变形达到设计要求。采取科学的减震措施，加强结构承力性验证，同时加强结构刚度控制，能够使结构抗震性得到增强。实际建筑结构刚度变化具有周期性，也将给结构位移带来影响，从层间位移控制角度对截面尺寸、剪力墙结构位置等实施优化，能够实现抗震性能设计目标。

2 高层建筑结构抗震超限设计内容和方法

2.1 设计内容

高层建筑作为10层以上的建筑，需要以抗震为性能基础实现建筑结构设计，确保主体结构功能在地震荷载作用下能够维持正常。按照《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）要求，采用混凝土框架搭建墙体结构的高层建筑工程不能超出规定高度范围，确保结构能够发挥抗震作用；采用筒体和钢筋混凝土结构，抗震强度需要达到9级，高度能够达到规定限高的最高值，如果抗震等级为8级，高度为规定的30%，抗震等级在6～7级只能达到规定高度的20%[2]。除了对建筑高度进行限定，还设置了宽高比、体积外形规则度等数据，因此需要加强建筑的超限设计。从内容上来看，需要完成结构分析与判别，应将结构类型、抗震标准、规则性、高度等当成依据，明确设计目标任务，然后对抗震性设计方法必要性进行验证。确定性能目标后，需要对设防强度、施工成本、损坏修复等各项因素进行考量，完成选取目标的论证。在地震地面运动难以分析的情况下，还应实施非线性分析，结合经验做好参数与模型的选择。对高层建筑进行超限设计，需要考虑结构自振周期较长，同时可能受不规则结构影响，还要倾向于选择偏保守的目标。在深入分析阶段，应重点加强薄弱位置抗震性分析，并根据分析结果提出加强对策，通过验证薄弱位置抗震性，能够确认结构设计能否实现目标。在超限设计分析的过程中，还应对超过规范的适用范围和结构不规则程度进行分析，确定场地、地震参数等条件；完成结构时程、弹塑性、静力等各项指标计算后，能够完成结构合理性分析，找到强地震作用下的结构关键和薄弱位置。如果建筑结构较为新颖，难以对抗震计算分析结果进行判断，还应提出必要的验证依据。从总体上来看，应确保结构抗震性达到三水准要求。

2.2 设计方法

（1）目标选定。实际在高层建筑结构抗震超限设计时，需要结合高度、设防烈度、超限高等进行性能目标选择，综合考虑结构建设成本、安全性等情况。结构延性变形受到超限程度影响，与结构承载力之间存在反比关系。在结构延性要求较低的情况下，结构设计需提出较高承载力要求，否则结构需要保持较高延性变形能力。针对建筑结构薄弱位置，应提高承载力和变形能力。按照《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）规定，如果高度超出B级，关键和薄弱构件设计需要达到性能2的水平；如果存在多个不规则指标超限值，同时结构高超B级较多，重要部位需要达到大震不屈服水平[3]。超限值较小时关键构件可以达到性能3水平，高度超A级可以达到性能4水平，同时薄弱构件满足弹塑性位移限值要求。

（2）结构计算。在结构计算方面，需要实现构件性能水准要求量化，保证各指标达到要求。具体来讲，就是要加强构件弹性承载力、屈服承载力的分析，在构件处于屈服状态后应满足受剪截面限制要求[4]。构件承载力需要根据水平和竖向地震系数和结构重力荷载等因素确认，满足：

式中：Rd是构件承载力设计值；γRE是用于对构件承载力进行调整的抗震系数；γEh和γEv分别为水平和竖向的地震分项系数；分别为对应地震作用标准值的构件内力，无需考虑抗震等级增大问题；指的是重力荷载值效应；γG为对应系数。构件屈服承载力除了与水平和竖向地震作用标准内力值相关，同时也与重力因素相关，满足：

式中：Rk为按照标准材料强度计算得到的截面标准承载力，同样需要采用标准地震作用值计算，确保构件拥有足够大的屈服承载力。如果建筑采用的构件属于能耗型，需要加强水平地震作用分析。因为在组合工况条件下，该类构件将成为主要的可变作用部分。对屈服状态下的构件截面限制条件展开分析，可以发现采用钢筋混凝土制作的构件满足：

式中：V*Ek和VGE分别为地震作用下标准构件剪力和构件剪力；fck为混凝土轴心标准拉压强度；bh0为构件尺寸。如果建筑结构采用钢筋混凝土组合构件，需要满足：

式中：fspk为剪力墙钢板标准强度；Asp为截面面积；fak为剪力墙端部型钢标准强度；Aa为对应截面面积。在构件剪力分析方面，还要加强弹塑性分析，以免结构因脆性出现受剪破坏问题，继而使结构安全性得到保证[5]。

（3）结构预期。完成结构抗震超限设计后，需要对结构抗震性能进行验证，确定构件性能是否可以达到预先设定的性能水准要求。结构抗震性能包含4个性能水准，对应构件性能变化预期结果存在一定差异，如表2所示。运用结构计算方法加强结构承载力判别，完成不同水准下抗震性能的量化分析，能够使构件达到理想状态，继而使结构超限设计达到抗震设防要求[6]。在整体结构抗震性达到要求后，需要采用超限处理措施对薄弱或关键部位进行适当加固处理。结合以往工程经验可知，针对柱和剪力墙应保证正面承载力、抗剪承载力均能达到中震要求，使结构保持一定屈服性能和弹性模量。结构竖向和水平分布筋底部配筋率至少达到0.4%，边缘构件约束筋至少达到1.2%，体积配筋率至少为1.8%[7]。在双层楼板的双向布置中，薄弱部位单层配筋率至少为0.25%，抗剪力和抗拉力达到中震要求。针对错层连接位置，还应保证箍筋和腰筋的配筋率至少分别达到0.5%和0.4%。

表2 地震发生后不同性能水准结构性能变化预期

3 高层建筑结构抗震超限设计的实践研究

3.1 工程概况

某高层办公楼建筑高150m，面积为4.6万m2。地上部分共33层，2～20层和22～32层为办公层，层高分别为3.8m和5.4m；首层和最顶层为商用层，层高5.4m；中间层为避难层和设备层，层高3.0m。建筑地下部分2层，层高4m，为地下室、设备间和停车库。工程采用框架核心筒结构，同时承受风力、竖向力与地震作用带来的水平剪切力。其中，核心筒是主要承力结构，承担抗侧力、基底剪力和倾覆弯矩带来的作用力，框架为次要承力结构。建筑主体结构标准层采用规则结构，高宽比为4.14，能够达到B级高的最高限值要求，标准层平面布置图如图1所示。建筑抗震烈度为7度，场地为Ⅱ类，粗糙度B类，周期为0.35s，最大风压达0.35kN/m2。

表3 某办公楼建筑结构抗震超限设计性能目标

3.2 结构设计

从地质勘察结果来看，其地质条件良好。土层分布依次为黏土、强风化泥岩和中风化泥岩，厚度分别为5.9～11.1m、3.1～5.8m、≥5m，承载力分别能够达到280kPa、380kPa、800kPa，抗浮水位在地下1m以下位置。在基础设计方面设置人工挖孔嵌岩桩，将中风化泥岩当成是持力层，桩端进入深度至少为桩径的0.4倍。在单桩布置过程中，需要完成承载力试验。框架柱采用一柱一桩布置方式，柱底最大轴力为27000～36000kN。核心筒竖向荷载为建筑重力的50%，基础底部轴力达435000kN。布置16根桩，单桩承载力达到27500kN。主体结构底板厚为2.1m，其余位置为0.6m，采用C35混凝土，桩与筏板间基础梁为0.6m×1.2m，保证结构整体性。

图1 建筑主体结构标准层平面布置图（单位：mm）

在上部结构设计中，首先需要完成高度超限设计。由于建筑高超过了A级建筑最大高度限值的15%，未达到B级高度限值，因此为B级高层建筑，在结构抗震超限设计方面需达到相应的性能目标，如表3所示。实际在超限设计中，可以利用SATWE和MIDASGEN软件完成多遇地震作用下的结构弹性分析，利用时程分析法完成补充计算，开展结构静力弹塑性分析，完成结构抗震性验证。针对建筑底部结构，还应加强剪力墙在地震作用下的抗剪力分析，确认能否满足不屈服和截面剪应力要求。在建筑楼板位置，存在较大开洞，且局部位置不连续，容易导致部分迁跃层柱产生。针对薄弱位置进行抗震性分析，还应利用软件程序将楼板假定为弹性板，然后确定柱剪力能否达到普通柱设计要求。

3.3 性能分析

对超限设计得到的结构进行抗震性分析，需要从软件中调取不同力学模型分别计算。采用不同模型分析得到的结果大致相同，如表4所示。在建筑底部位置，出现了最大位移比达1.23的情况，而规范限值为1.2。出现这种情况，主要是由于底部发生的位移较小，造成了扭转规则结构的产生。由此可见，建筑底部剪重比无法达到性能要求，还应按最小值对层剪力进行调整。结合建筑场地特性完成2条地震波的选择，通过时程分析可以发现，基底剪力超出反应谱的65%，选择3条则将超过80%。通过振型分解可以发现，顶部楼层剪力出现超限情况。

在中震作用下展开分析，能够得到最大的地震影响系数为0.23，X向最大层间位移角在25F，数值为1/292，Y向也在25F，为1/300。从顶点最大位移值来看，X向和Y向分别为383.4mm、400.5mm，底部各关键和薄弱部位能够达到抗震性要求。在大震作用下展开分析，需要利用SATWE完成静力弹塑性分析，加强结构塑性铰形成规律把握，继而使竖向构件抗震性得到较好反映。遭遇罕遇地震结构墙肢剪力与抗剪承载力的比值均比1大，因此能够满足结构抗震性能要求，如图2所示。

表4 小震作用下不同软件的结构抗震性计算结果

图2 罕遇地震下墙肢剪力与抗剪承载力的比值

在地震作用加载过程中，初期连梁最早发生塑性铰，剪力墙并未发生损伤。持续进行罕遇地震作用，局部剪力墙发生塑性损伤，主体墙肢并未损伤。楼层混凝土柱也未出现塑性状态，能够保持弹性，刚度无明显变化。因此从总体上来看，除了建筑底部和楼板的局部位置，工程其他结构均能满足抗震性要求。

3.4 超限加强

在超限设计中，还要在保证结构安全的基础上实现各指标量化，保证结构设计的经济性与安全性。结合结构性能分析结果，针对底板和楼板局部发生的超限问题，还要采取相应超限加强措施，以免结构的安全性受到影响。针对楼板局部不连续的位置，还应将厚度增加至150mm，使配筋率至少达到0.25%。针对跃层柱位置，需要加强中震弹性设计优化。针对建筑底板结构，还应采用增设型钢方法提高加强区混凝土柱结构稳固性。将该措施延伸至基础顶，能够使加强区竖向抗侧力得到提高。针对核心筒底部加强区位置，还应实施高度延伸，达到0.25轴压比的位置。结合不同抗震目标对不同位置采取超限措施，通过抗震性计算可以发现，最终结构能够获得良好抗震性能。

4 结论

在高层建筑结构抗震超限设计中，考虑到结构抗震性能状态复杂，为保证建筑结构可靠性，要对容易产生较大内力和变形的薄弱部位进行超限分析。针对不同部位的结构，还要做到合理选定性能目标，然后采取相应的抗震加固措施，促使结构整体拥有较好抗震性能。从工程设计实践来看，加强各项性能指标的精确分析，能够实现合理超限设计，最终使结构的经济性和安全性同时得到保证。