高烈度地区超限高层设计要点案例分析

王改玲

（兰州现代职业学院城市建设学院，甘肃 兰州730200）

现代城市化建设规模不断扩大，人口数量不断增长使得城市空间越发紧张，建筑设计逐渐向高层建筑形式靠拢，但高层建筑由于自重较大且高度较高，其结构的稳定性与抗震性也必须要不断进行改进，如此才能够确保建筑的安全性。近年来，强震严重威胁了人们生存，尤其在工程结构高度与跨度不断增加的新时代，一旦发生地震，势必会引起严重的损伤。所以在工程设计中，需要高度重视抗震性能的设计，提高工程建筑抗震的能力，以免发生地震时，出现严重的损失。

1 项目概况

本工程项目为超限高层设计，主要包括A、B、C 座3 幢塔楼、地下车库，建筑项目主体部分地下部分包括地下室与地下车库，层数设定为两层，地上部分中A 座和B 座最高层均设计为30 层、C 座则为18 层；A 与B 座的地下室相通，C 座的地下室和A、B 两座地下室利用伸缩缝隔断。A、B 座地下一层设计为车库，地下二层则为平战结合式人防地下室，地上建筑部分一、二层为商用店铺设计，三层及以上为居民住宅，建筑主体高度为90.8 米，内外的高差是0.6 米；C 座的地下一层是设备用房与自行车库、地下二层是人防、地上都是住宅，高度是52.7 米m，室内外的高差在0.45 米。

2 结构计算

通过PKPM2010 版系列软件SATWE 及MIDAS-building 程序进行结构计算，考虑耦联作用及偶然偏心的影响作用。设计中采用三水准、两阶段对主体结构进行详细的抗震计算分析；

第一，多遇地震作用下，采用了两种空间分析软件对主体结构进行了整体分析计算比较，从SATWE 与MIDAS-building的分析结果比较看，两个分析软件的计算结果的周期、平动扭转均比较接近，第一、第二周期为平动周期，第三周期为扭转周期，均能满足周期比要求[1]。

第二，本工程属于8 度（0.3g）抗震设防的B 级高度丙类高层建筑，对主体结构进行了设防烈度地震下的抗剪弹性计和抗弯不屈服计算分析，罕遇地震作用下的弹塑性静力分析。

3 抗震性能设计

为分析高烈度区域超限高层结构动力的特性，同时给结构减震的设计、地震波选择与分析结构的抗震性能提供参考依据，构建三维精细杆系与框架梁单元的模拟。这种模型使用ETABS 的非线性软件进行建立，其柱与框架梁使用空间的杆系单元进行模拟，而剪力墙使用壳元进行模拟，工程楼板使用板单元进行模拟[2]。

3.1 结构构件性能目标

为了保证结构满足建筑所处位置高烈度的抗震性标准，需要针对超限高层结构中不同结构件的性能进行优化，对其每个细节进行科学的调整，并将其构件抗震性设定为：

第一，在多遇地震状态下，必须要保证所有构件均依据相关规范标准进行弹性设计；

第二，如考虑遇到罕遇地震情况下，则建筑底部必须要保证剪力墙受剪截面设计与可控制条件相统一。

3.2 计算软件与计算方法

（1）为了确保超限高层建筑结构能够具备防烈度和罕遇地震的性能，需要以《高层建筑混凝土技术规程》中的标准，采取相应措施进行构件的改进验算，主要针对其在不同情况下的承载力计算，目前通常采用等效弹性的方法进行其抗震性计算。

（2）计算软件主要采用SATWE，在进行计算前必须要进行相关参数的手动调整，同时要针对对不同性能要求采取分别计算的方式进行验算。

（3）关于构件承载力验算主要针对设防烈度作用下构件承载力弹性设计、屈服承载力设计、罕遇地震作用下受剪截面控制条件设计结果进行计算。

（4）验算中所采用的参数主要选用多雨地震反应谱法来进行相同模型参数的计算，并在设防烈度作用下屈服承载力设计时材料强度等级等全部选用标准值，计算时对于程序设定主要选定设防烈度和罕遇地震作用下相关选项，并进行计算。

例如：本文工程项目中对于外围框架柱的设计中，其剪力墙筒体外围框架设计为矩形钢管混凝土柱，其与钢筋混凝土核心筒共同承载结构所带来的的重力和侧向力，外围框架的自身平面设计为钢筋框架，并利用钢筋框架实现外围框架与核心筒钢梁的连接，而核心筒铰接则是外框架刚接。外围框架是建筑防震的第二重保险，其承载的地震剪力必须要严格的按照项目所在地区地质情况和设计抗震性要求进行相应的设计和调整计算。在设计中，需要按照相关规范和标准对多遇地震作用下各框架所承担的建立进行准确计算和精确的改进。

计算公式如下：

各层框架梁则也需要按照相关公式进行计算，计算公式为：

并按照公式计算结果来进行调整。

而对于矩形钢管混凝土短柱的轴压比设定需要保证其控制在0.7 以内，必须要注意的是对混凝土承载系数的限制，其必须要保证钢管混凝土柱的延性满足工程项目要求。梁柱钢节点需要采用抗震加强节点，主要运用剪力放大系数、弯矩放大系数来进行强节点弱杆件、强柱弱梁和强剪弱弯抗震设计。而防地震作用下框架柱则必须要全部进行弹性设计，通过计算分析可以得出，所有的框架柱都能够达到性能标准的要求。强烈度下的罕遇地震作用非线性时程分析如图1、2 所示：

图1 X 向地震作用楼层最大层间位移角

图2 Y 向地震作用楼层最大层间位移角

由此可以得出，外围钢管混凝土框架柱仅有少量受弯屈服，进入塑性阶段，但仍然有着一定的承载力，起到了对抗震的防线作用。

3.3 设防烈度下的构件承载力计算

（1）在进行设防烈度作用下底部加强区剪力墙抗剪弹性计算过程中，对于墙体水平钢筋在多遇地震作用下所获得的计算结果值呈现出一定增加量，但其墙体抗剪截面和配筋所体现出的计算值则符合承载力弹性设计的标准值。因此，设计方案进行改进时可以依据抗剪弹性来进行处理。

（2）设防烈度作用下底部加强区剪力墙抗弯不屈服计算过程中，对于边缘构件配筋的约束则与多遇地震作用下计算结果产生了不同的结果，整体有所增加，但其约束边缘构件配筋则可以保证承载力抗弯不屈服符合相关设计标准，表明施工图可以按抗弯不屈服进行设计。

（3）设防烈度作用下底部加强区剪力墙拉应力水平验算：

X 方向设防烈度作用下中震不屈服首层剪力墙拉应力水平验算（钢筋采用HRB500，fyk=500N/mm2）：

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Y 方向设防烈度作用下中震不屈服首层剪力墙拉应力水平验算（钢筋采用HRB500，fyk=500N/mm2）：

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4 超限设计措施加强措施

第一，对局部开大洞位置，且梁箍筋全长需要加密与设置抗扭纵筋，楼板口角部位集中配置斜向钢筋等加强措施。

第二，准确计算与控制构件竖向的轴压比，比规范要求的最大轴压比降低0.05。

第三，对于楼梯间一字形剪力墙采取梯板与梯梁钢筋锚入墙体且整体浇注的措施以增强平面外拉结。

第四，地下部分属超长结构，为解决超长混凝土结构中的温度应力引起的混凝土收缩及主楼与车库之间的不均匀沉降，设置后浇带三道，温度应力后浇带在两侧结构施工完成后两个月方可浇筑，沉降后浇带在主楼施工完成后方可浇筑，钢筋采用塔接接头。

5 结论

高层建筑结构是当下民用建筑中的一种重要形式，如果因为地震受到破坏，会发生巨大损失。尤其在高烈度区域高层建筑使用常规的设计方法难度比较大，结构总体的经济性比较差、所以需要深入分析高烈度区域设计的理念，提高结构抗震性能。