超限高层建筑结构抗震超限设计与分析

江 进，肖建军，廖 鹏

（中航长沙设计研究院有限公司，湖南长沙 410014）

1 超限高层建筑的工程简介

兆鑫汇金广场项目作为城市更新项目，其B座住宅为B级超限高层建筑，总建筑面积达20685.12m2，地上共有44层，屋顶设置了1层屋架，屋架高度为5.0m，结构的主屋面高度为147.9m，首层高度为6.6m，2、3层高度为5.1m，4层高度为6.6m，标准层高度为3.0m，建筑的13、28层设置的避难层高度为5.1m；地下1层到5层的高度分别为6.95m、6.0m、4.8m、3.6m、3.8m，嵌固端在地下室的2层楼板，板厚为180mm，同时地下室的顶板厚度为160mm。对建筑结构进行分析可以发现，该建筑的特点包括墙不连续以及凹凸、侧向刚度、扭转不规则。

2 超限高层建筑的设计方案

2.1 计算嵌固端

在进行B座住宅地下五层结构的结构嵌固端选择过程中，若采用地下2层楼板作为结构嵌固端，那么在计算地下室楼层侧向刚度时，可以利用《高层建筑混凝土结构设计技术规程》（JGJ 3—2010）（简称为《高规》）附录E.0.1条公式，对楼层的侧向刚度比进行计算。并且经过计算可以得出地下3层与地下2层的X向与Y向刚度比分别为2.2×107kN/m、2.0×107kN/m，由于楼层侧向刚度比均大于2，那么在设计地下室顶板时，需要保证其构造满足以下要求：①依据相关规范的要求，本项目地下2层楼板采用普通现浇钢筋混凝土梁结构，楼板厚度为180mm，双层双向配筋，并且楼板无大开洞；②地下室每层框架柱每侧纵向钢筋面积需为上1层的1.1倍以上；③在设计过程中，需保证地下2层框架梁的实际受弯承载力的和大于上下2层柱的实际受弯承载力之和[1]。

2.2 结构体系与布置情况

由于该工程的B座建筑属于B级高限建筑，结构部分是框支剪力墙结构，其结构抗侧力体系如图1所示。

图1 YJK与ETABS结构抗侧力体系

2.3 基础形式

在进行本项目设计过程中，本地区设计基本地震加速度的数值为0.10g，设计特征周期为0.35s，场地内存在饱和沙土与软土，并且在Ⅶ度地震烈度的影响下，可以忽略饱和沙土与软土震陷对建筑的影响。同时，在对施工地点情况与建筑设计需要进行切实了解的基础上，可以令B座塔楼的基底持力层为中风化的花岗岩，裙楼与地下室则采用天然基础与人工挖孔桩加固地基，建筑的持力层是中风花岗岩或中风化凝灰质砂岩。建筑地下室抗浮设防水位以建筑周边道路最低点绝对标高为基础，在设计地下室抗浮设计验算时，需充分考虑水浮力的作用，令建筑的塔楼部分主要应用结构自重抗浮，裙房与地下室部分则采用精轧螺纹钢抗拔锚杆[2]。

3 超限高层建筑结构抗震性能分析

为切实满足人们对建筑空间的需要，大量超限高层建筑不断涌现，尽管这种情况的出现在一定程度上提升了城市土地资源的利用率，但由于超限高层建筑的结构层数较高、结构较为复杂，在建筑结构的设计施工过程中往往存在较多的困难，抗震设计更是成为超限高层建筑结构设计中的重点与难点。现阶段，为切实了解超限高层建筑结构的抗震性能，则需要应用合适的程序分析软件对建筑结构抗震性能进行分析。

3.1 多遇地震及风荷载对建筑的影响

3.1.1 振型分解反应谱法与风荷载作用

为切实了解地震与风荷载对该工程B座建筑的影响，可以采用YJK与ETABS两款结构分析程序，对建筑在小震与风力作用下，弹性模型结果加以分析，并且可以了解到，这两种计算模型的结果极为相近，第一扭转周期与第一平动周期的比值均比规范限值0.85小，这种情况的存在说明该建筑设计结构具有良好的抗扭刚度。在对建筑剪重比进行调整后，可以了解到，在地震工况下，建筑的Y方向的最大层间位移角为1/1230，并且这一情况出现在33层，满足规范1/800的要求；在50年风荷载的影响下，建筑Y方向的最大层间位移角为1/808，这种情况出现在建筑的32层，同样满足规范1/800的要求[3]。

3.1.2 弹性时程分析

以《高规》第4.3.4为依据，可以了解到，在进行该工程B座建筑结构设计过程中，需要用弹性时程分析法进行多遇地震情况的补充计算。具体来说，在进行计算分析时，可以将地震的加速峰值设为35cm/s2，地震的波振型阻尼比ξ为0.05，地震波时间间距△t为0.02s，特征周期Tg=0.45s。现阶段，将小震弹性时程建立、弯矩计算结果与小震弹性时程层间位移角结果进行汇总，可以得出如图2所示的曲线，对曲线进行分析可以了解到，部分楼层小震时程建立平均值比反应谱建立大，并且扭转周期与平均周期的比值小于0.85，这种情况的存在说明该建筑结构抗扭刚度合适。现阶段，为满足规范最小减重比限值的要求，X向与Y向的减重比调整系数分别为1.24与1.0，从数据可以了解到，该建筑结构能够满足相应规范的要求。

图2 不同地震时程工况下的基层剪力及位移角

3.2 设防烈度地震作用下结构抗震性能的验算

在进行该工程B座建筑受弯承载力与建筑结构框支柱抗震性能验算时，可以应用Matlab辅助设计软件，按照矩形截面墙肢进行验算。同时，在进行建筑结构框支柱抗震性验算的过程中，从软件模拟结果可以了解到，首先，在中震不屈服组合下，拉应力需在混凝土抗拉强度标准值的2倍以下；其次，结构的框支架满足受弯、受剪弹性的性能目标要求；最后，连梁符合抗剪不屈服性能目标，因此可以通过为其设置交叉斜筋的方式，提高其抗剪承载力。

3.3 罕遇地震动力弹塑性

3.3.1 分析模型特征

为验证SAUSAGE模型分析结果的准确性，可以将SAUSAGE模型与YJK模型进行比对，由于在弹塑性分析模型构建过程中，构件的截面尺寸、材料强度等级、构件所配钢筋与弹性分析模型都相同，弹塑性分析模型荷载与地震质量均可以以弹性模型为依据，并且对模型的前三阶振型以及塔楼SAUSAGE模型与YJK模型进行周期比对，可以发现SAUSAGE模型与YJK模型在包含钢筋质量、Y向与X向平动周期、扭转周期的计算结果极为接近，这种情况的出现说明模型计算结果具有准确性。

3.3.2 时程分析结构反应

在分析时程分析结构反应的过程中，可以从基底剪力与结构顶部位移两方面入手。具体来说，在验证建筑结构的非线性特征，可以对大震弹塑性与大震弹性的市场进行比对，从而达到了解建筑基底剪力的目的。并且在对比过程中，大震弹塑性与大震弹性底部剪力比值在84%~96%之间，包络值显示，X向、Y向的弹塑性基底剪力约为94%的弹性结果，从中可以了解到，塔楼在大震情况下的非线性特征符合规定要求。同时，在研究弹性塑性与弹性楼层顶部位移的时程变化情况时，可以监测图1所示的P1点位移时程。在测试过程中，弹塑性顶部位移约为73%~114%的弹性位移，弹塑性位移在地震结束后，明显衰减，保证塔楼能够拥有“大震不倒”的抗震性能。

4 超限高层建筑结构抗震超限处理方式

4.1 建筑结构体系布置

在深圳市罗湖区兆鑫汇金广场项目B座住宅结构布置过程中，首先，需要在塔楼结构设计的过程中，提升对裙房以及相关范围内地下室结构的关注度；其次，通过在框支柱与部分框支梁部分设置型钢的方式，减小截面，提升其承载力；最后，为切实保证建筑结构的稳定性，楼板厚度可以使100mm、110mm、150mm、180mm，裙房顶板厚度应为150mm，并且裙房顶上的结构转换层板厚应为180mm。

4.2 计算分析

在建筑结构设计过程中，需要先对建筑典型层的楼板应力进行分析，切实保证楼板能够有效传力，同时，需要控制楼板应力较大部分的厚度，并控制钢筋的应力。若对转换结构进行专项分析，则需要将分析点选在典型框支梁节点，通过对其进行有限元分析的方式，可以切实保证结构的安全性与稳定性。

5 结论

总而言之，在当前城市建筑施工过程中，为保证超限高层建筑使用寿命能够切实满足建筑需要，在考虑到建筑施工材料、施工地点地质结构等情况的基础上，可以应用相应的软件对建筑结构的抗震性能加以模拟，以便为后续工程施工活动的顺利开展打下坚实的基础。