某平面超限高层住宅结构分析与性能设计

矫良健JIAO Liang-jian

（重庆市设计院有限公司，重庆400000）

1 概述

1.1 工程概况

重庆瑞安天地房地产发展有限公司（甲方）拟在渝中区化龙桥进行化龙桥片区B5/03，B10/03 地块建设。本项目包括B05-1#~5# 及B10-1#、2# 住宅、临街商业、配套设施，地下车库、设备用房等。项目总面积175675 平方米。本项目B5-5#楼为超限高层建筑。

1.2 结构超限情况

本项目B5-5# 楼为超限高层建筑。（表1）

表1 B5-5# 楼超限评价表

B5-5#楼结构其他薄弱部位：

①建筑1F 层高较高（5.1m），层高形成突变。②两栋楼在客厅处为保证建筑效果，局部柱单侧无梁拉结。

1.3 抗震设计性能目标

由于B5-5#楼属于B 类型高度结构形式，按照《建筑抗震设计规范》第3.4、3.10 节，《高层建筑混凝土结构技术规程》第3.11 整体性能目标D 级。需要对其进行抗震性能优化处理。

考虑到《高规》相关规范标准，针对性能目标确定的方法（“房屋高度超过B 级或不规则性超过适用范围较多时，可以采用C 级的形式；当高度大于A 级或是属于不规则体系时，则可以按照C 级或是D 级选择），按照该工程的实际情况本工程主要采用的是D 级的抗震性能要求。

1.4 针对性设计措施

1.4.1 计算措施

①选择YJK 与Midas building 力学模型进行结构程序分析计算，对两种程序的计算结果经分析和比较后用于构件的设计。

②选用地震波共7 组（人工波2 组，天然波5 组），进行弹性时程分析以校核结构的地震反应、构件内力及位移。

③进行动力弹塑形补充计算，分析结构弹塑性性能，校核结构设计是否达到预设性能目标。

④对于两侧收进的不利部位，验算罕遇地震下连接部位的楼板应力，保证楼板剪应力不超过抗拉强度。

表2 B5-5# 楼抗震设计性能目标表

⑤单侧无拉结柱屈曲分析。

1.4.2 构造加强措施

①对于单侧无梁拉结的柱，采用钢骨柱增加其刚度以及延性，相邻楼板加厚至200 厚并设置暗梁，以增强对柱的约束作用。

②首层结构交稿采用剪力墙形式造价端柱，配筋率按照设计规范提升到0.35%。三层整体楼层的厚度需要≥120mm，板配筋双层双向，配筋率不小于0.25%。

③两侧收进部分设备平台板加厚至150 厚，相邻楼板加厚至120 厚，配筋率提高至0.25%，以保证楼板的有效连接。

2 弹性分析

2.1 结构分析软件、分析模型

在分析的过程中，先后利用YJK 和MIDAS Buildin 程序进行计算，计算后得到结果进行核对配置，最终确定模型参数。

2.2 振型分解反应谱法计算结构的主要控制指标

2.2.1 质量

表3 质量统计表（嵌固层以上）

2.2.2 周期和振型

分别计算B5-5#塔楼结构的前30 个周期振型，列出塔楼结构的前6 个振型的周期值和振型描述：

如表4 所示，两个软件计算的周期振型接近，第一扭转周期Tt 与第一平动周期的比值Tt/T1 满足《高规》（JGJ 3-2010）的要求。

表4 B5-5# 楼周期振型统计表

2.2.3 地震楼层剪力和剪重比

根据抗震规范（GB50011-2010）5.2.5 条，剪重比应达到0.64%（X 向），0.63%（Y 向）。通过计算发现，满足该指标。不需调整。从两个软件对比结果来看，可以看出二者计算结果相近，规律性一致，均满足规范要求。

2.2.4 水平作用下结构的位移

X 向地震作用下，楼层竖向构件最大位移（或层间位移）与平均值之比最大为1.14；Y 向地震作用下，楼层竖向构件最大位移（或层间位移）与平均值之比最大为1.19。不超过规范中弹性水平位移（或层间位移）的最大值与平均值之比不大于1.2 的要求。两个方向最大层间位移角均满足规范要求。

2.2.5 楼层刚度比，抗剪承载力比

由计算结果可知，各层侧向刚度与相邻上层侧向刚度的比值均满足规范要求。

由计算结果可知，各层抗剪承载力比均大于0.8，满足规范要求。

2.2.6 整体稳定

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》要求：

高层建筑结构的稳定应符合下列规定：

式中EJd——结构一个主要轴方向弹性等效测量刚度，可以根据倒三角分布荷载作用对定点参数进行分析。而后把结构中的侧向刚度进行则算，时下能够转换为竖向悬臂弯矩构建的刚度效应；

H——房屋高度；

Gi——第i 楼层重力荷载设计值；

表5 结构整体稳定（刚重比）验算结果

能够通过高规（5.4.4）的整体稳定验算，但刚重比小于2.7，要考虑重力二阶效应。

2.2.7 框架柱倾覆弯矩

表6 框架承担百分比

根据以上结果，框架柱承担的倾覆弯矩百分比不超过10%，为剪力墙结构。

2.2.8 轴压比

B5-5#楼为剪力墙结构，剪力墙抗震等级为二级。剪力墙底部加强部位的轴压比限值为0.60。剪力墙计算最大轴压比为0.58，满足规范要求。

2.2.9 中震作用下结构竖向构件拉应力分析

根据建质[2015]67 号文《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》第十二条（四）的规定，需要验算中震双向水平地震力与重力荷载代表值组合情况下竖向构件截面名义拉应力，对出现拉应力的关键构件需提高偏拉构件抗震等级。根据计算结果，本项目各层剪力墙在中震下均未出现拉应力，结构竖向构件仍具有良好的抗剪承载力。故本结构各层竖向构件抗震等级不需提高。

2.2.10 振型分解反应谱法计算总结

本工程采用YJK 软件进行计算。B5-5#栋的各计算结果数值上均满足规范要求。总体上结构侧向刚度及楼层受剪承载力曲线沿高度比较平滑，结构在水平作用下的侧向位移沿高度均匀分布，无明显结构薄弱部位。

2.3 结构弹性时程反应分析

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）中的相关规范要求，时程分析所采用的加速度时程曲线，“涉及平均地震影响数曲线和振型分解产生的反应，采取地震影响系数曲线进行比较分析，能够了解结果弹性时程反应结果”，根据本工程结构周期，场地类别以及本工程的抗震设防标准，选出五条天然波和两条人工波。弹性时程分析采用YJK 进行计算分析。

结构弹性时程分析总结：

弹性时程分析选用了7 条地震波进行计算。每条时程曲线计算所得结构底部剪力及7 条波计算的平均底部剪力与振型分解反应谱法计算结果之间的差值均满足规范要求。B5-5#楼时程分析表明：在X 向7 条时程波计算的楼层底部剪力平均值为反映谱的计算值93%，最大值为反应谱值的108%；在Y 向计算的楼层底部剪力平均值为反应谱的计算值98%，最大值为反应谱值的106%。最小剪重比调整后的振型分解反应谱法计算结果能够包络时程法计算结果。

时程分析计算的结构的变形指标与规律均与振型分解反应谱法计算结果接近，验证了振型分解反应谱法计算的合理性。

3 塔楼动力弹塑性时程分析

3.1 分析软件

在进行弹塑性动力时程分析环节，主要采用YJK 软件进行相关参数分析。而钢筋混凝土结构单元的参照弹性设计结构与相关的要求进行配置。

3.2 分析模型和计算假定

B5-5 栋选用天然波3 分别作用于结构X、Y 方向上，进行大震弹塑性动力时程分析。

3.3 大震弹塑性时程分析主要计算结果

3.3.1 楼层最大层间位移及层间位移角

通过分析计算结果发现，选择弹性动力时程分析能够获取乡音的位移角度，也就是说在X 地震作用下楼层相互之间的位移最大角度为1/301，在Y 向地震作用条件下，楼层的位移角度为1/295，这就说明该取值能满足抗震要求。

3.3.2 受压、受拉损伤分布及分析

在大震的作用下B5-5#楼结构体系均出现轻微的拉伤情况，结构层之间的受损范围在不断的造价。这表明在大震条件下，连梁收到的影响很大，但是观察分析可发现损伤的位置都在连梁两端位置。综合结构层位移及层间位移角指标，验证了在大震下，结构整体塑性发展程度有限，无明显薄弱层，结构体系中的各构件均能达到性能目标的要求。

3.4 动力弹塑性分析总结

通过对设防地震和罕遇地震作用下结构动力弹塑性分析结果的分析，总结如下：

①连梁塑性铰均出现在连梁梁端，大震作用下框架梁端损伤数量及程度比中震作用下有明显增加。而在中震及大震作用下底部加强区的剪力墙损伤程度均不大；

②剪力墙损伤主要出现在：

1）与连梁相接区域。该区域优先出现塑形铰，可提高结构整体柔度，降低后续地震作用，增强耗能，使结构在罕遇地震中达到性能目标；

2）剪力墙翼墙在大震作用下，局部区域出现塑性铰。

通过对上述动力弹塑性分析结果的分析总结，可以发现在大震作用下，大部分剪力墙连梁及周边洞口区域的损伤发展程度加深，损伤区域一定程度上扩大。结构变形满足规范限值。通过上述结果分析可知，其变形能力与内力参数均达到了结构抗震性能的基础要求，稳定系数较强。

4 价值结果

本项目B5-5#为超限高层结构，采用了剪力墙结构体系。并针对结构特点采取了一系列抗震计算及抗震构造加强措施，同时采用两个有效的程序进行计算，其计算结果可信且满足规范要求。