探讨某超限高层建筑结构抗震性能设计

程勇

（贵阳市建筑设计院有限公司，贵州 贵阳 550004）

0 引言

在城市化建设持续推进的背景下，各地高层建筑数量大幅增加，建筑竖向体型、平面布置的复杂程度也有所提高。对体型较为复杂的建筑而言，其所面临主要问题便是由于平面不规侧、构件不对称、质量分布不均，致使结构受力情况无据可循。要想保证建筑结构稳固安全，关键是要在前期设计阶段，对结构破坏形态以及薄弱环节进行分析，明确地震给建筑结构所造成影响，为结构可靠性提供保证。

1 项目概况

一般来说，层数达到10 层或以上的建筑属于高层建筑，7 度抗震设防地区剪力墙结构高度达到或超过120m 的高层建筑称为超A 级高度建筑，需要进行超限高层抗震专项审查。无论是对比普通多层建筑还是高层建筑，超限高层对技术质量所提出要求均更为严格，要想使建筑结构安全性更有保障，关键是要对其进行抗震性能化设计。

某地拟建设一栋高层建筑，该建筑共有44 层，建筑高度为148.7m，1F 为商铺，层高为6.6m，2F 和3F 的层高均为5m，4F 层高为6.6m，5F~44F 多为标准层高，即3m，其中，在13F 及28F 布设避难层，这两层的高度为5m。塔楼的定位是住宅。-1F~-5F 的高度依次递减，分别是5.5m、4.5m、4.5m、3.8m 和3m。其中，嵌固端取自-2F 顶板，其厚度为180mm，地下室顶板厚度为160mm。该建筑的总面积约为25700m2。

2 建筑结构布置

2.1 确定嵌固端

该建筑地下部分共包括5 层，因负1F 层局部无侧限，且无侧限所占面积比超30%，所以计划将-2F 楼板作为嵌固端，对地下室楼层采用等效剪切刚度进行计算可知，建筑-2F 与首层刚度比均大于2，满足规范要求。另外，在对嵌固层板进行设计时，需要考虑以下因素：首先是避免在-2F 楼板表面开设大洞口，楼板结构为钢筋混凝土梁、板结构，厚度不小于180mm 为宜，同时搭配双向、双层配筋，配筋率不小于0.25%，同时对地下室顶板（-1F 顶板）设计时也应注意，板厚不小于160mm，其次是确保框架柱嵌固层单侧纵向钢筋与上层钢筋面积之比达到1.1 倍以上，且地下室顶板梁、柱节点左右梁端截面与下柱上端同一方向实配的受弯承载力之和不小于地上一层对应柱下端实配的受弯承载力的1.3 倍，对于剪力墙边缘构件不小于嵌固层以上边缘构件面积[2]，只有满足上述措施条件，保证塑性铰出现在嵌固层，才能作为嵌固端使用。

2.2 结构形式的布置

该建筑主体结构是剪力墙结构体系，结构标准层的平面图如图1 所示。

图1 建筑结构标准层

本项目所在地区的地震加速度取值是0.1g，Ⅱ类场地，地震分组一组，对应特征周期是0.35s。现场-4F楼面以下有饱和粘土，地震抗震设防烈度为7 度，可忽略软土震塌、砂土液化所产生影响。通过分析可知，该建筑塔楼的基底持力层采用中风化白云岩，地下室、裙楼有个别基岩已外露，因此对于持力层较浅的采用柱下扩展基础，对于持力层埋置较深的采用桩基，持力层均采用中风化白云岩，无沉降差问题，根据地勘报告可知，地下室抗浮水位位于-4 层楼面，抗浮水头为6.8m，根据计算整体抗浮满足1.05 安全系数要求，局部抗浮采用配重加结构硬抗的方式相结合，上部结构由于高宽比达到7.4，略超规范规定6 的要求，因此在布置剪力墙时Y 方向占比较大。

3 结构抗震性能

作为对建筑结构进行设计的关键一环，对抗震性能进行设计时，设计人员应做到以抗震目标为依据，对切实可行的设计方案进行制定，强调两阶段、三水准的设计模式提出性能目标，抗震性能目标为[1]：当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震时，主体不受到破坏或不需修理可继续使用，当遭受本地区抗震设防烈度设防地震影响时，可能发生损坏，但一般性修理仍可继续使用，当遭受高于本地区设防烈度罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。

3.1 设计性能目标

该项目的主要使用功能为住宅，根据超限审查技术要点，本项目主要是平面不规则，无转换层，竖向构件连续，主要超限类型为超高，根据抗震设防类别、设防烈度、场地条件、震后损失和修复难易程度综合考虑后确定该项目抗震性能目标为C 级，即性能水准为1、3、4，就是多遇地震作用下性能水准为1，宏观损坏程度完好，无损坏，所有构件满足弹性要求，承载力和变形满足1/1000 要求；设防烈度作用下性能水准为3，宏观损坏程度为轻度损坏，普通构件和关键构件的正截面承载力满足屈服承载力要求，受剪满足弹性要求，部份耗能构件进入屈服阶段，变形满足1/500 位移限制要求；罕遇地震作用下性能水准为4，宏观损坏程度为中度损坏，关键构件的抗震承载力满足曲服承载力要求，位移角满足1/120，抗震性能计算时除小震材料采用设计值外，中震和大震均应采用材料强度标准值，且不考虑与抗震等级有关的调整系数。

3.2 计算方法

根据高规3.3.1 条的条文说明该项目属于超A 级高度，即B 级高度，保证设计质量按规定应进行抗震设防专项审查复核，小震、中震采用两种不同力学模型软件进行分析，该项目分别采用MIDAS BUILDING 和YJK 进行计算，计算分析出质量、周期、位移比、剪重比等均较为接近，因此可以认为原来计算模型假定和计算结果基本可信，同时选用动力特性相近的3 条地震波（其中一条人工波，二条天然波）进行分析，分析结果表明，CQC 法和时程分析法相接近，只是在顶部由于鞭稍效应引起时程分析较CQC 法大1.1 倍，在施工图时CQC 计算法顶部放大1.1 倍。

同时，根据高规规定，该项目需进行弹塑性计算分析，高度不超过150m 时可以采用静力弹塑性，超过150m 根据自振特性和不规则程度选用静力或动力弹塑性，由于该项目接近150m，从安全角度出发，选用了动力弹塑性分析，分析软件选用了北京构力科技的SAUSAGE 软件，地震波采用了两条天然波和一条人工波。

3.3 计算结果

3.3.1 小震计算

使用不同软件对小震作用下采用弹性模型进行计算，最终结果大致相同。各模型前三阶的振动方向、周期值基本一致，平动周期和扭转周期比未超过规定限值，这表示结构在抗扭刚度方面表现较为理想，但剪重比底部局部楼层不满足要求，可以通过全楼地震剪力进行1.1 倍放大，结构在地震作用下所出现位移角最大值是1/890，该位移角在33F 的Y 方向，满足规范1/800要求，在风荷载作用下，结构所出现位移角的最大值是1/1200，该位移角在32F 的Y 方向，均满足规范要求。但结构的刚重比为2.0 小于规范2.7，刚重比不满足要求，出现P-Δ 效应，应将重新计算考虑P-Δ 效应，计算后为1.7，满足规范2.0 要求。

3.3.2 中震计算

在中震作用下，关键构件和普通竖向构件需满足屈服承载力要求，抗剪需满足弹性要求，可将地震加速度的最大值取为100cm/s2，正截面受弯材料抗力取为标准值，抗剪材料取为设计值，不考虑风荷载，不考虑与抗震等级相关的调整系数，经复核验算，竖向构件均满足承载力要求，梁和连梁局部正截面进入屈服阶段。

3.3.3 大震计算

为考察结构进入弹塑性状态下的动力反应，分析结构在罕遇地震作用下的抗震性能，检验结构在罕遇地震作用下的薄弱层，控制层间弹塑性位移是否满足1/120，对罕遇地震作下结构的抗倒塌能力进行判断，了解结构塑性较的形成规律，针对性地优化结构布置。

本项目采用SAUSAGE 软件进行弹塑性计算，SAUSAG 是一款非线性计算软件，他的计算结果与ABAQUS 接近，并且可以实现GPU 显卡的并行计算，可以提高计算效率，梁、板、支撑杆系采用粗细纤维束单元，剪力墙采用分层壳单元，本项目选用三条CQC 动力特性相近的地震波计算，地震加速度的最大值取为220cm/s2，特征周期Tg=0.4s，水平地震影响系数amax=0.5，经计算分析如下。

（1）在考虑重力二阶效应及大变形的条件下，罕遇地震作用下结构最终仍能保持直立，满足大震不倒要求。

（2）主体结构最大弹塑性层间位移角为1/130，满足规范1/120 要求。

（3）结构的弹塑性层间位移角分布曲线总体较为光滑，在避难层有一定缩进，经分析是为了限制位移加大了梁的刚度，如图2 所示。

图2 Y 方向罕遇地震下层间位移曲线

（4）由动力弹塑性时程分析得出Y 方向罕遇地震下的层间剪力分布曲线和基底剪力，整体较为光滑，如图3 所示。

图3 Y 方向罕遇地震下结构层间剪力

（5）由于强震损伤积累，结构刚度减小，其地震响应减小，因而弹塑性结构位移反应小于弹性结果，弹塑性结构各层剪力反应不小弹性结果，结构存在一定的位移反应滞后现象。

（6）局部楼面梁出现塑性铰主要集中在与较长的剪力墙相连位置，可以看出梁起着耗能作用。

3.4 舒适度计算

根据高规3.7.6 条，房屋高度不小于150m 的高层混凝土建筑应满足风振舒适度要求，本项目虽然未超过150m，但接近150m，为安全起见也做了舒适度分析，按10 年一遇的风荷载0.3kN/m2标准值取值，经计算分析，X 方向的顺风向加速度为0.06m/s2，横风向加速度0.08m/s2，Y 方向的顺风向加速度0.07m/s2，横风向加速度0.09m/s2，均满足规范规定0.15m/s2。

4 结语

综上所述，在小震情况下，各构件均处于弹性状态，其变形能力、承载能力满足规范要求。反应谱和时程分析基本一致，该建筑在抗震性能方面的表现可满足预设目标。其次，中震情况下，剪力墙未出现屈服情况，连梁、框架梁部分屈服，但可满足受剪不屈服要求。最后，大震情况下，结构层间所产生位移角、弹性位移未超出规范允许范围，抗侧力构件均没有受到严重损坏，由此可见，本结构抗震性能良好，满足了大震不倒的要求，经调整后各项指标均满足规范要求，主要结构在罕遇地震作用下也基本满足预设定的性能目标。