特别不规则超限高层建筑抗震设计

杨云帆

（中国建筑上海设计研究院有限公司，上海 200063）

1 引言

对于迅速发展的中国，城市人口集中，用地紧张，促使高层建筑蓬勃发展。近年来，由于建筑技术的发展，建筑设计理念的创新，高层建筑向着体型复杂、功能多样的综合性方向发展，立面收进、平面开洞、楼板不连续等体型不规则的建筑物层出不穷。然而，中国是一个地震高发的国家，对于高层建筑，地震作用效应尤其强烈，复杂且不规则结构体系容易使建筑物在地震作用下产生严重破坏。因此，对于不规则高层结构，选择合理的抗震设计方法，使建筑满足各项抗震验算指标对于我国高层建筑及超高层建筑的设计具有重大意义。

2 工程概况

2.1 工程介绍

阜阳万达酒店（见图1）塔楼共17层（楼高H=80.33 m），大屋面标高：80.18 m，室外地面标高：-0.15 m，底部裙楼4层（H=26.0 m）。酒店底部南北向长度约81.1 m，东西向宽度约37.8 m；在裙房顶（H=26.0 m处）向北收进，形成竖向收进的大底盘单塔结构。收进后主楼平面呈矩形，南北向长度约34.2 m。

图1 酒店模型示意图

2.2 结构形式及不规则情况

酒店采用现浇钢筋混凝土框架-核心筒结构。塔楼外框由12根框架柱承受竖向荷载，柱截面为1 300 mm×1 300 mm~1 000 mm×1 000 mm，混凝土强度等级为C60~C30，柱间距11~13 m。

经计算，本工程具有以下不规则情况：

1）扭转不规则。在规定水平力作用下，考虑偶然偏心，较多楼层位移比最大值大于1.2，极个别楼层位移比最大值大于1.3，根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》第3.4.2条，本建筑属于扭转不规则结构。

2）竖向不规则。酒店裙房顶（H=26.0 m处）向北收进，收进尺寸占总尺寸的58%，大于下部楼层南北向尺寸（B=81.1 m）的25%。塔楼收进部位高度（H1=26.0 m）与房屋高度（H=80.33 m）之比为0.32，大于0.2。塔楼质心与大底盘质心在南北方向存在较大偏心，偏心率约为26.5%，大于20%。根据JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》第4.4.5条，本建筑存在竖向收进不规则且塔楼偏置情况[1]。

3）平面不规则。酒店存在开大洞、穿层柱、局部楼板错层等现象。因建筑需要，2层楼板开大洞，洞口尺寸34.5 m×22.6 m，开洞面积约占楼层总面积的23.7%，同时形成约13 m高的穿层柱。开洞后单侧楼板净宽度小于2.0 m，相应位置楼板宽度约为该层楼板典型宽度的34.2%。3层宴会厅及前厅上空挑空也存在类似情况。开洞共抽去5根框架柱，对应裙房屋面处形成短向30.15 m跨度的大跨屋面梁。

4）刚度突变。本酒店客房层下设有设备夹层，层高仅为2.18 m，设备层下层刚度与设备层刚度之比为42%，小于70%，根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》第3.4.2条，属于刚度突变[2]。

根据住房和城乡建设部《关于印发〈超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点〉的通知》（建质[2010]109号）的规定，本建筑具有以上不规则情况，属于特别不规则的超限高层建筑。

3 针对性抗震措施

1）针对扭转不规则，为尽量减小扭转效应，尽可能合理地布置结构抗侧力构件（特别是剪力墙及外框架），以减小结构偏心，尽可能加大结构外围刚度以提高结构抗扭性能，并适当加强受扭转影响较大部位构件的强度、延性及构造配筋。

2）针对本工程在竖向收进后形成塔楼相对大底盘有较大偏置的现象，加强裙房屋面板（收进部位）及相邻上下层楼板。裙房屋面板板厚采用140 mm，板配筋双层双向不宜小于0.25%；相邻层楼板板厚120 mm并采用加强配筋。剪力墙底部加强区延伸至收进部位以上一层，收进层上下各2层塔楼周边竖向构件抗震等级提高为一级。加强收进部位以下两层结构周边竖向构件的配筋构造措施。

3）对楼板开洞形成的薄弱连接部位楼板按弹性楼板考虑。适当增加板厚，采用双层双向配筋，单层单向配筋率加大至约0.3%；同时加强洞口边梁的贯通筋及腰筋等措施充分加强连接板的刚度、强度及延性，以防止地震时连接板过早过大屈服。结构整体计算采用弹性膜计算模型，以考虑薄弱板在平面内的变形对结构及构件的影响，并得出楼板真实内力。控制连接板内主应力满足“小震不裂、中震基本弹性”，并将板内力放大3倍后进行配筋设计[3]。

4）对酒店大堂开洞形成的穿层柱，其计算长度按实际2层层高考虑，校核正确的计算长度系数，计算其强度时适当加大其所受地震剪力（取1.2倍），并进行构造加强。对错层部位及其余个别部位形成的超短柱，严格控制其轴压比，箍筋形式采用复合螺旋箍筋，加大配箍率并全高加密箍筋，必要时增设芯柱，从而提高超短柱的延性。

5）针对酒店设备层存在的刚度突变情况，对设备层以下剪力墙厚度适当加厚并提高配筋率，使其侧向刚度及强度得以提高。同时减小设备层剪力墙厚度及框架梁截面，保持混凝土强度等级同下层，以适当减小设备层侧向刚度，同时保证该设备层具备较高的抗侧强度。通过上述措施，使设备层刚度较其下一层刚度突变有所减缓，同时设备层相对于其相邻层受剪承载力变化亦小于80%。

4 抗震验算

4.1 抗震验算方法

本工程采用PKPM及Midas Building进行CQC及时程分析计算，计入双向地震和风荷载作用，考虑地震扭转效应，通过层间剪力比层间位移算法计算楼层刚度。本项目2层、4层大开洞导致楼板不连续，故使用PMSAP软件按弹性楼板模型进行小震、中震下应力分析。

4.2 整体指标计算结果

高层建筑整体指标计算结果见表1。通过比较两种软件计算结果可以发现两者计算结果基本一致，各项计算指标较为真实且满足规范要求。

表1 不规则高层建筑整体指标计算结果

4.3 弹性时程分析计算

弹性时程分析时程分别采用Ⅳ类场地（特征周期Tg=0.45 s）一组人工波RH2TG045及两组天然波TH3TG045、TH4TG045，加速度峰值35 gal。时程法与CQC法计算结果对比见表2、表3 。根据计算结果，本次选取的3条时程曲线计算所得结构底部剪力均大于CQC法计算结果的65%，平均谱计算所得底部剪力大于CQC法计算结果的80%，周期点相差在20%以内。时程分析最大层间位移角及剪重比满足规范要求，楼层变形沿结构全高没有突变，说明在小震弹性状态下楼层的抗侧力刚度沿竖向布置均匀，没有明显薄弱层[4]。

表2 地震波时程特性与CQC对比

表3 时程法结构地震响应计算结果

4.4 局部楼板应力计算

限于篇幅，本文只介绍3层楼板应力分析结果。图2、图3为3层楼板在小震和中震条件下的应力变化云图。

图2 3层楼板应力等值线图（小震）

图3 3层楼板应力等值线图（中震）

结果表明，在小震作用下楼层楼板在地震工况下的最大主拉应力未超过混凝土的抗拉强度标准值，楼板保持弹性状态。在中震作用下只有楼板在与混凝土核心筒角点处由于刚度较大产生应力集中现象，造成应力值较大，其余各处楼板最大主拉应力未超过混凝土抗拉强度标准值，大部分楼板保持弹性，满足中震性能目标。经过构造加强满足大震下不出现贯穿性裂缝的要求。

5 结语

为实现多样的建筑功能效果，复杂超限高层建筑不断涌现，如何确保不规则高层满足抗震要求已成为结构设计的重大课题。本文通过工程实例介绍了一系列实用的抗震加强措施及验算方法，相关设计经验可为同类工程提供一定的借鉴。