竖向收进的超限高层结构分析与研究

袁 升，段 贝，程俊婷

（1.浙江省建筑设计研究院，浙江 杭州 310006；2.中机工程有限公司，浙江 杭州 310016）

0 引言

随着国内建筑的外型及使用功能需求的日益提高，体型不规则的建筑也增多，相应的超限高层结构也成为结构设计的重难点之一。论文以某塔楼偏置的医院建筑为例，进行结构分析，并将不同的结构设计方案进行对比。

1 工程概况

浙江省中医院中医药传承创新基地项目位于杭州经济技术开发区 9 号大街 9 号，浙江省中医院下沙院区院内，是集医疗、教学、科研为一体的三级甲等综合医院建筑。设计方案为一栋带裙楼的高层塔楼，总建筑面积约 5.47 万 m2。地上裙房 5 层，总高度 23.1 m，塔楼 19 层，总高度 77.8 m，地上的主要功能为门急诊、医技、病房、科研教学等用房，首层层高为 5.4 m，裙房层高均为 4.5 m，塔楼标准层的层高 3.9 m。地下室 2 层，主要功能为停车库和设备用房。建筑效果图如图 1 所示。

图1 建筑效果图

2 设计参数

本项目主体结构的设计基准期和使用年限均为 50 年，建筑结构安全等级为一级，结构重要性系数为 1.1［1］。抗震设防烈度为 7 度（0.10g），设计地震分组为第一组，场地类别为 Ⅲ 类，建筑抗震设防类别为重点设防类（乙类）。

2.1 风荷载

采用 GB 50009－2012《建筑结构荷载规范》［2］中风荷载进行结构设计。塔楼位移验算时，基本风压w0按 50 年一遇标准取 0.45 kN/m2。塔楼从首层到主屋面高度为 77.8 m，至女儿墙高度为 82.1 m；故构件强度设计时，按照 JGJ 3－2010《高层建筑混凝土结构技术规程》［3］（以下简称《高规》）第 4.2.2 条，对基本风压放大 1.1 倍，因而实际基本风压取为 0.495 kN/m2。风压高度变化系数根据 B 类地面粗糙度采用，风荷载体型系数取为 1.4。

2.2 地震作用

GB 50011－2010《建筑抗震设计规范》［4］（以下简称《抗规》）提供的多遇地震规范反应谱，其中最大水平地震影响系数为 0.08。本项目小震按振型分解反应谱法及3条选波的弹性时程分析进行比较，各层地震作用按时程分析结果的最大值进行放大调整。结合《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》［5］的相关要求，中震和大震则采用规范反应谱进行分析。小震计算时考虑周期折减系数 0.8，中震和大震时周期不折减；小震和中震时阻尼比取 0.05，大震时取 0.07。

3 结构设计

3.1 结构体系

本项目中医药传承创新楼采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系，具体布置如图 2 所示。剪力墙作为主要的抗侧力体系，能够比较有效地进行抗震、抗风。框架不仅提供抗侧力作用，同时也能配合建筑立面的要求。

图2 结构抗侧力体系

3.2 性能化设计目标

因存在竖向收进，扭转不规则及局部存在穿层柱、梁抬柱等，本结构为超限高层结构。按超限抗震设防专项审查［5］的要求进行性能化设计。抗震性能目标定为 C。根据高规第 3.11 节确定塔楼各构件的性能要求，并对其中特别关键构件的设计性能要求进行提高。按《抗规》表 M1.1.1-2 中性能要求 3 确定各地震水准下塔楼的层间位移变形要求。结构各构件的具体性能目标如表 1 所示。

表1 结构构件性能目标

3.3 结构主要抗震加强措施

1）提高重点部位结构构件的抗震等级。根据高规，框架抗震等级为一级，剪力墙抗震等级为一级。体型收进部位上下各两层主楼周边柱的抗震等级由一级提高为特一级；裙房局部转换柱、转换梁抗震等级由一级提高至特一级。

2）主楼与裙房相连的外围框架柱，从固定端至裙房屋面上一层，提高柱纵向钢筋的配筋率，柱箍筋在裙楼屋面上、下层的范围内全高加密。裙房转换柱箍筋全高加密，严格控制其轴压比＜0.6［6］，并适当提高柱配筋率（≥1.2 %）、配箍率（≥1.5 %）。

3）为确保上部结构的地震作用可靠地传递到下部结构，体型突变部位（裙房屋面）的楼板采用现浇楼板，楼板厚度≥ 150 mm，双层双向配筋，配筋率≥0.3 %，裙房屋面上、下层楼板配筋率加大。

4）主楼与裙房相连的外围相关范围框架梁，提高其配筋率且梁面钢筋采取拉通配置；裙房远离主楼一侧两跨范围抗侧力构件抗震措施提高一级［7］。

5）由于裙房存在楼板大开洞的情况，需按弹性板验算所在楼层的楼板应力，加大相邻楼板的板厚和配筋。

4 整体指标的控制

4.1 结构弹性分析

多遇地震下的整体弹性分析采用 YJK 和 PMSAP两种软件进行比较计算。由表 2 可见，两种力学模型计算下的弹性分析结果如结构总重量、底部总剪力、前三阶周期等基本一致，周期比、位移比、位移角、刚重比、剪重比等均满足规范要求。

表2 多遇地震作用下弹性分析主要指标比较

根据《高规》第 10.6.5 条，地震作用下上部收进结构的底部楼层层间位移角为X向、Y向，相邻下部区段最大层间位移角为X向、Y向，两者之比均＜1.15，满足规范要求，收进部位的楼层刚度相对变化均匀，说明结构布置较为合理。

4.2 弹性时程分析

为校核振型分解反应谱法的计算结果，采用 YJK 对其进行多遇地震作用下的弹性时程分析补充验算。选用 2 条天然地震波（Northridge-01_NO_944、Chi-Chi，Taiwan-05_NO_2983）和 1 条人工波（ArtWave-RH4TG045），3 组时程波的平均地震影响系数曲线与规范反应谱法所用的地震影响系数曲线在对应于结构主要振型的周期点上相差≤20 %，满足规范要求。

时程分析所得的基底剪力和规范反应谱（即振型分解法 CQC）所得的基底剪力对比如表 3 所示。

表3 基底剪力

可见，时程分析所得的基底剪力均大于规范反应谱所得的基底剪力的 65 %，时程分析所得的平均基底剪力大于规范反应谱所得的基底剪力的 80 %，满足高规第 5.1.2 条的要求。

将时程分析所得各楼层剪力的包络值与反应谱结果比较，对反应谱的各楼层采取放大处理，放大系数取两者相应楼层剪力之比。

4.3 设防地震作用下结构分析

基于性能的设计要求，竖向构件的结构正截面承载力需要满足中震不屈服设计要求，斜截面承载力需要满足中震弹性设计要求。在进行中震验算时，地震作用不考虑与抗震等级有关的增大系数，周期折减系数取为 1.0，考虑 7 度中震作用下结构已开裂，进入弹塑性阶段，阻尼比取 0.07。经计算，一层框架柱的最大轴压比为 0.47，最大剪压比为 0.04，一层剪力墙的最大轴压比为 0.4，最大剪压比为 0.14。竖向构件的轴压比、剪压比均满足规范要求。中震计算下各结构构件配筋率较合理，可以达到相应性能要求。

4.4 罕遇地震作用下结构弹塑性分析

为保证结构在大震作用下具有足够的延性和抗倒塌能力，采用 PKPM 做 Pushover 分析，以评估结构在罕遇地震作用下的性能。侧向力采用倒三角形荷载，作用于X、Y两个方向，考虑二阶效应的影响。

图3 为主结构在 7 度 0.1g罕遇地震作用下相应的能力谱和需求谱曲线，X向性能点对应的基底剪力为 49 462 kN，约为多遇地震作用下的基底剪力的 3 倍，对应结构有效周期为 2.465 s，性能点附加阻尼比为 0.054，对应的最大层间位移角为 1/279；Y向性能点对应的基底剪力为 53 841 kN，约为多遇地震作用下的基底剪力的 3.5 倍，对应结构有效周期为 2.277 s，性能点附加阻尼比为 0.033，对应的最大层间位移角为 1/325。两个方向的性能点对应的层间位移角均＜1/100，可以满足“大震不倒”的性能要求。

图3 罕遇地震作用下能力曲线与需求曲线（X 向）

从整个推覆过程的出铰状态来看（见图 4），核心筒内的连梁和框架梁端首先出铰，当结构达到性能点时，剪力墙和框架柱均无出铰，剪力墙顶部局部位置出现破坏，但不影响整个结构，总体上符合预期的抗震性能设计目标。

图4 塑性铰出现情况

5 超限结构与设结构缝的方案对比

5.1 设置结构缝的结构体系

在塔楼竖向收进的位置设 120 mm 宽结构缝，形成两个结构单元，左侧塔楼的部分为框架-剪力墙结构体系，右侧裙房的部分为框架结构体系。由于两个结构单元均未超限，可仅按小震弹性计算结果进行设计，满足结构抗震要求。由图 5 可见，相比没有设缝的超限结构，在结构缝处增设了一排框架柱，同时在裙房和塔楼位置分别取消了 2 片和 1 片剪力墙区域。

图5 设置结构缝后的竖向构件布置

5.2 设结构缝前后的结构方案对比

1）从结构概念上，应尽可能地避免结构薄弱位置的出现。对于存在竖向收进的结构，尤其像本项目存在收进幅度较大的塔楼偏置情况，尽可能通过设置结构缝使结构形成若干结构单元，减少结构不规则性，提高抗震性能。

2）从建筑效果上，若设置结构缝，在一定程度上会影响立面效果，降低建筑整体观感和品质。同时在设缝处需进行建筑连接处理，容易形成漏水等后期使用问题。

3）从工程造价上，从全楼的混凝土和钢筋的用量对比（见表 4），可见混凝土总量相差不大，仅为 2 %；钢筋总量相差近 15 %，差距主要体现在剪力墙和框架柱上，可见不设缝的情况下，结构进行性能化设计和抗震措施加强，对于竖向抗侧力构件的布置和配筋率影响较大。

表4 设结构缝与否的工程量对比

6 结语

1）针对存在竖向收进程度较大的高层建筑，可以采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系，形成二道防线；合理布置剪力墙，保证设防地震作用下墙肢的平均拉应力≤2 倍混凝土抗拉强度。

2）体型收进部位的竖向构件需加强，通过提高抗震等级、纵向钢筋配筋率、箍筋加密等措施保证体型变化的上下层刚度差距不至于过大，避免形成薄弱层。

3）通过多遇地震和设防地震下的弹性分析、罕遇地震弹塑性分析指导结构设计，实现相对应的性能化目标。

4）将塔楼偏置的超限高层结构与设置结构缝后的若干非超限结构单元这两种结构方案进行综合对比，提供同类型建筑进行方案比选的数据参考。Q