某超限高层框架结构设计

徐曼妮 刘一斌 王海霖

摘 要：某框架结构高度不超限，但存在扭转不规则、凹凸不规则及尺寸突变不规则项，同时存在斜柱局部不规则，属超限高层。在设计中采用抗震性能化设计方法，选用适当的抗震性能目标，并对结构进行了重力荷载、风荷载及温度作用分析，结合抗震概念设计，采取了适当的加强措施，保证了结构即安全又经济。

关键词：性能化设计;抗震;超限高层

近年来，随着建筑使用功能、立面效果的要求提高，复杂超限高层建筑越来越常见，如何保证这类建筑的安全、经济成为一个结构工程师必须要面对的课题。对此类结构采用性能化设计是一个合理、有效的解决方案，本文以某复杂超限框架结构为例，说明了超限高层框架结构设计的具体过程。

1、工程概况

本项目为一座集商业展示、会议、办公、餐饮为一体的建筑物，项目总建筑面积107810平方米，地上建筑面积48467平方米，地下室建筑面积59343平方米，地上七层，地下三層，建筑高度为36.1米，地上最大平面尺寸为124×111米。本项目在外立面设计上采用圆弧、曲线等展现出动态的轮廓效果，裙房外立面采用倾斜式玻璃幕层层收进，塔楼在空间上看有四条明显的纵肋，四角幕墙呈从下到上收进的弧形。结合建筑造型，结构柱网主要呈弧形，塔楼四角倾斜式幕墙处结构采用斜柱处理。

2、荷载

根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012），本工程所在地50年重现期基本风压Wo=0.65 kN/m2，建筑物地面粗糙度类别为B类。50年重现期基本雪压So=0.45 kN/m2，雪荷载准永久值系数分区为Ⅰ区。抗震设防烈度为7度，设计基本加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，特征周期为0.35s，场地类别为Ⅱ类。施工阶段温降工况荷载为 -48℃，温升工况荷载为40.7℃;使用阶段温降工况荷载为-41℃，温升工况荷载为22℃。

3、结构超限分析

本工程存在扭转不规则、凹凸不规则、尺寸突变不规则项，同时存在斜柱局部不规则。

根据《超限高层建筑工程抗震设防管理规定》（建设部令第111号）、《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（建质[2015]67号），本工程属超限高层。

3.1性能目标

针对本工程超限类型，采取了结构抗震性能化设计的措施。结构抗震性能目标按照《高层建筑混凝土结构积水规程》（JGJ3-2010）第3.11节内容执行，综合考虑结构不规则项、建筑的功能和规模，设定结构抗震性能目标为C级，结构各部位构件性能化设计的具体要求如表1所示。

3.2分析内容

（1）对结构进行了重力荷载、多遇地震及风荷载计算，采用YJK和MIDAS两个软件相互校核指标，确保结构计算模型的准确性。

（2）采用YJK软件对结构进行整体模型和两塔楼分开的模型（单塔模型）进行计算比较，按二者包络设计配筋。

（3）采用YJK软件对跨度较大区域楼板进行舒适度分析，保证楼板舒适度满足要求。

（4）采用YJK软件对整体结构进行温度作用下的楼板应力分析，发现温度作用的薄弱部位。

（5）多遇地震时程分析采用YJK进行计算，分析结构在地震波作用下的反应，并将楼层剪力与CQC结果进行对比。

（6）采用YJK进行中震性能判别，分析结构在设防地震下的工作情况。通过不同的参数设定，分别验算中震不屈服和中震弹性两种工况，复核不同构件的中震性能水准，作为调整构件截面、配筋的设计依据。

（7）采用YJK软件按等效弹性方法计算指定构件是否在大震下满足抗剪不屈服性能目标。

（8）采用YJK-EP进行动力弹塑性时程分析，分析结构在罕遇地震下的薄弱部位、构件塑性发展及破坏顺序，验证大震不倒的整体目标和各类构件的大震性能水准。

3.3 分析结果及加强措施

针对本工程超限情况及设计中的关键技术问题，在设计中采取如下补充分析及加强措施，提高结构的抗震性能。

（1）采用YJK和MIDAS进行刚性板假定下的整体指标对比，互相校核重力荷载、地震作用及风荷载下的计算结果，确保结构整体计算指标准确可靠，计算结果表明两个计算软件的各项指标较为接近，说明模型真实可靠。结构计算的周期比为0.877，其它各项指标满足规范要求。

（2）对结构整体模型和两塔楼分开的模型（单体模型）进行了对比，计算结果表明单塔模型计算的楼层剪力比整体模型小，结构设计时仍偏于安全的按单体模型与整体模型包络设计。

（3）利用YJK进行了小震弹性时程分析，地震波采用五条天然波和二条人工波，对时程分析的楼层平均剪力与CQC法楼层剪力进行了比较，各楼层弹性时程计算结果均小于CQC法，故配筋设计时可仅按CQC法计算。各条地震波作用下，X、Y向的最大层间位移角分别为1/1306（2F）、1/1377（2F），小于限值1/550，满足规范要求。

（4）对斜柱、四层塔楼间裙房柱及多塔收进影响的柱采取提高一级抗震等级的措施，提高薄弱位置构件的安全性。对特一级框架柱，除按《高规》3.10.2条采取放大内力、提高加密区配箍特征值（增加0.02）、提高配筋率（中、边柱≥1.4%，角柱≥1.6%）的措施外，对轴压比大于0.6的柱，通过在柱的截面中部设置芯柱（芯柱配筋率不小于柱截面面积的0.8%）来提高其延性。

（5）对结构各构件设定了不同水准下的性能目标。框架柱按抗中震抗剪弹性、抗弯不屈服设计，与斜柱相连框架梁采用中震抗弯、抗剪不屈服设计;对斜柱、四层塔楼间裙房柱、塔楼与裙房交界处柱（1～5F）采用大震抗剪不屈服设计，并控制其大震损伤程度为轻微损坏，所有竖向构件均需满足大震受剪截面控制条件。对需按中震、大震设计的构件，最终配筋结果均与小震结果进行包络。

（6）考虑到二～五层两塔楼间楼板受力复杂，对其楼板加厚至150mm（三层考虑减轻密肋楼盖自重，板厚取100mm），采用双层双向配筋，每层每方向配筋率不小于0.25%，并对其按中震受拉不屈服计算结果复核，同时保证其在罕遇地震作用下抗剪不屈服，以确保水平地震力的有效传递。

（7）对跨度较大区域楼板进行了舒适度分析，结果表明舒适度满足要求。

（8）对楼板进行了温度应力分析，对温度影响较大的的地方采用加強配筋的方式抵抗温度应力，对温度应力集中的洞口边楼板采用在板中增设钢筋网片处理。

（9）考虑结构体型较复杂，本工程考虑重力荷载、地震与风荷载同时参与组合。

（10）对南北两侧幕墙钢构架与主体结构之间采用弱连接（上端铰接、下端滑动），弱化对主体结构的刚度贡献，达到减小其参与整体地震、温度作用的效果，实现其作为整体结构的附属构件。钢构架强度及稳定均满足要求，对挠度不满足要求的地方采用起拱处理，对折梁节点利用ansys软件进行了节点细化分析，确保节点的安全可靠。

3.4 结论

本工程为框架结构，高度36.1m，高度不超限，但存在扭转不规则、凹凸不规则及尺寸突变不规则项，同时存在斜柱局部不规则，属超限高层。在设计中采用抗震性能化设计方法，根据抗震设计原则及本工程特点，对整体结构进行了详细分析，主要结论如下：

（1）通过弹性计算，结构各项指标基本满足规范的要求，结构沿竖向刚度变化较均匀，没有产生薄弱层。同时对斜柱、塔楼与裙房交界处柱等关键构件及与斜柱相连框架梁采取了更严格的抗震性能要求，保证了结构的整体抗震性能。

（2）塔楼裙房间连接楼板要协调两塔的振动，受力复杂，对此进行了相应的加强，并进行了详细的应力分析，保证楼板中震受拉不屈服，大震抗剪不屈服，确保地震作用下能有效传递水平力。

（3）大震下，结构层间位移角满足规范要求，实现“大震不倒”，结构大部分构件只出现轻微损坏，并且损伤部位主要在框架梁上，结构形成抗震性能较好的“梁铰”破坏机制，具有较强的耗能能力和内力重分部能力。

综上所述，本结构除能满足竖向荷载和风荷载作用下的有关指标外，抗震性能目标满足C级的要求，设计合理有效，安全可行。

4、结束语

本文以某超限高层框架结构为例，介绍了结构超限类型，并针对结构超限特点采取了诸多补充分析及加强措施，保证了结构即安全又经济，可供此类结构设计时参考。

参考文献

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[3] 李世成， 张广英. 上海某超限高层建筑结构设计[J]. 建筑结构， 2019（A01）：123-126.