某高层建筑的结构超限设计可行性分析

温东平

（广州城建开发设计院有限公司，广东广州 510000）

高层建筑结构超限设计过程中，应该对设计规范进行有效的把控，按照设计规范设计，同时计算分析结构超限，确保超限设计可行。

1 工程概况

项目位于广州新塘镇，共5 栋超限高层剪力墙结构住宅建筑，其中三栋为50 层，高度为163.35m；两栋为44 层，高度为145.95m。本超限可行性报告仅取其中一栋（50 层）进行超限设计分析论证。

超限情况：B 级高度超限、扭转不规则、凹凸不规则、楼板不连续。

2 结构超限计算分析措施

①按广东省《高层建筑混凝土结构技术规程》（DBJ/T 15－92—2013）（以下简称省《高规》）采用抗震性能设计，通过对结构进行小震、中震和大震下的计算分析，保证整体结构达到性能C的抗震性能目标；②取规范反应谱作为小震计算分析的参数，采用YJK 和Building 两个不同的力学模型的空间结构分析程序进行比对，判断计算模型的合理性；③选取2 组人工地震波和5 组实际地震记录波对结构做小震作用下的弹性时程分析，取其平均值与CQC 法两者间的较大值用于构件设计；④采用YJK 进行中震作用下的性能分析；⑤采用YJK 进行大震作用下的性能分析；⑥罕遇地震作用下，采用YJK 进行静力弹塑性分析，验证结构能否满足大震阶段的抗震性能目标，并寻找薄弱部位，对薄弱部位制定相应的加强措施；⑦整体稳定性验算；⑧核心筒周边楼板大震及风荷载下的应力分析；⑨超限加强措施。

3 设计条件

（1）地震作用参数根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）（以下简称《高规》）第 4.3.7 条规定取值。

（2）风荷载根据《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）（以下简称《荷规》）取值，考虑风力相互干扰效应系数1.05。

（3）楼面荷载按《荷规》取值。

4 抗震性能设计

根据本工程的抗震设防类别、设防烈度、结构类型、超限情况，按照省《高规》第3.11 节，设定结构抗震性能目标为性能C，小震性能水准为1，中震为3，大震为4。

5 抗震性能设计

（1）采用YJK 对结构进行整体弹性静力分析，同时采用Building 对计算结果（见表1）比较分析，从结果可知：两个软件计算结果基本接近，计算结果合理有效，可作为设计依据；层间位移角满足省《高规》第3.7.3 条的要求；侧向刚度比满足《高规》第3.5.2条的要求；楼层受剪承载力比满足省《高规》第3.1.4 及3.5.3 条要求；刚重比大于1.4，满足省《高规》第5.4.4 条要求，X 向小于2.7，考虑重力二阶效应。

表1 两个计算模型结果

（2）根据《建筑抗震设计规范（2016 年版）》（GB 50011—2010）第5.1.2 条和《高规》第4.3.4 条规定，采用时程分析法进行多遇地震下补充计算。选用不少于5 组实际强震记录和2 组人工模拟的加速度时程曲线，计算结果取时程法的平均值和振型分解反应谱法的较大值，多组时程曲线的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%。所选地震波与规范反应谱在统计意义上相符，满足《高规》4.3.5 的要求；时程曲线与CQC 法计算产生的基底剪力分析详见表2。

表2 基底剪力

6 中震性能分析

根据广东省《高规》第3.11.3 条规定，对中震的第3 性能水准采用等效弹性方法计算，控制大部分构件在中震下的受弯及受剪承载力满足第3 水准的要求，施工图设计时取竖向构件及核心筒斜梁的中震验算结果与小震弹性计算结果的大值进行设计。中震X 向基底剪力10182.11，Y 向11636.36，与小震之比X向为 2.70，Y 向为 2.77.

7 中震性能分析

根据广东省《高规》第 3.11.3 条规定，第 3、4、5 性能水准的结构宜以大震弹性地震力控制竖向构件的受剪截面，以保证不发生剪切破坏。采用YJK 进行大震作用下的等效弹性计算。计算结果显示各墙柱及核心筒周边斜梁的组合剪压比均满足规范要求，在大震作用下底部加强部位剪力墙的竖向构件及核心筒周边梁的受剪截面均满足规范要求。

8 大震弹塑性分析（PUSHOVER）

按省《高规》第3.11.4 条规定，对高度不超过300m 的超高层建筑，如结构较规则，且基本振型的质量参与系数不小50%的结构可采用静力弹塑性方法。

Pushover 分析结果表明，罕遇地震作用下结构的弹塑性层间位移角能满足小于1/150（最大为X 向1/377）的要求，基底剪力也在合理范围内（X 向18583.96；Y 向19911.39；与小震之比X向为4.94；Y 向为4.74）；性能点处各构件的性能状态表明局部剪力墙处于轻微损伤状态，大部分剪力墙完好；结构具有较大的承载力及较好的延性，能够满足“大震不倒”的抗震设计目标。

9 结构舒适度验算

根据《高规》第3.7.6 条，高层混凝土建筑结构应满足风振舒适度要求，在10 年一遇风荷载标准值作用下，结构顶点顺风向和横风向振动最大加速度计算值不应超过0.15m/s2限值（计算最大值0.086m/s2），满足规范要求。

10 整体稳定性验算

本工程建筑高宽比5.25 且无地下室，基础埋深不满足规范要求。补充在风荷载、小震、中震和大震作用下整体抗倾覆验算，结构在所有工况下均未出现零应力区，满足要求。

11 风荷载、大震作用下核心筒及连接薄弱处楼板应力分析

风荷载、大震作用下核心筒及连接薄弱处楼板应力分析结果满足大震抗剪不屈服，抗弯不屈服。

12 超限加强措施

（1）对底部加强区域损伤比较集中的墙体，底部加强区分布筋配筋率提高到0.3%，约束边缘构件最小构造配筋率提高至1.2%；非底部加强区外围墙肢构造边缘构件配筋率提高至0.7%，箍筋竖向间距提高至150。

（2）错层楼板不连续处：按实际楼层错层高度建立模型，按通高剪力墙考虑，按中震及大震控制剪力墙的剪压比，错层处墙柱抗震等级提高到一级，墙体分布钢筋的最小配筋率取为0.5%。错层处楼板厚120mm 并采用双层双向通长配筋。

（3）对核心筒与周边结构连接薄弱，加强楼板厚度至150mm，采用双层双向通长配筋，配筋率不小于0.25%。

13 结论

综上所述，建筑结构虽存在高度超限、扭转不规则、凹凸不规则、楼板不连续的超限情况，但设计中充分利用概念设计方法，对关键构件设定抗震性能化目标，并在抗震设计中，采用多种程序对结构进行弹性、弹塑性计算分析，除保证结构在小震下完全处于弹性阶段外，补充关键构件在中震和大震下的验算。计算结果表明，建筑物除能满足竖向荷载和风荷载作用下的有关指标外，亦满足“小震不坏，中震下主要构件不屈服、震后可以修复，大震不倒塌”的抗震性能目标C 的要求，结构是可行且安全的。