某超限高层建筑结构抗震设计

曲晓东

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

0 引言

目前，超限高层建筑结构的抗震设计已经成为建筑行业需要重点关注的内容。尤其是对于超限高层建筑工程结构，其抗震设计更是受到了研究者与相关工作人员的广泛关注。姜晶[1]在对高层建筑混凝土结构抗震设计方面的研究中提出，抗震设计应根据项目所在区域的实际地质情况及其建设应用需求来实施。孙兰兰等[2]在对高层住宅建筑结构的抗震设计进行研究时，充分体现了地震波时程分析法在此项设计中的应用优势，并对其应用策略进行了深入分析。肖从真等[3]在研究高层建筑混凝土建筑结构的抗震设计时，也提出了抗震设计需要结合现代化建模计算法的观点。这些研究对于超限高层建筑工程结构的抗震设计而言都具有非常深远的参考意义。

1 项目概况

某房屋建筑工程项目中的5#塔楼是一个超限高层建筑，其主要屋面高度是60.9m，架构层高66.3m，一层高度6.9m，标准层高度是4.5m，地上建筑总面积是21 600m2，地下建筑总面积是8 000m2。该塔楼和其他单体共用一个三层大底盘地下室，将地下室中的顶板用作嵌固端，其埋深在15.4m左右，地下室结构为现浇筑钢筋混凝土框架建立墙。根据该建筑工程所在地的实际情况，该建筑的地上部分属于标准设防类结构。具体设计中，将其结构的安全等级设计为二级，使用年限设计为50年，抗震设防烈度设计为7度，地震分组设计为第二组；其场地类别设计为Ⅳ类，特征周期设计为0.90s，基本风压设计为0.55kN/m2，在计算承载力时需要放大1.1倍。本文主要对该建筑工程结构的抗震设计进行分析。

2 超限高层建筑结构抗震设计分析

2.1 地基基础设计

在该工程的大底盘地下室中，底板面部分的主要标高是-14.2m，根据现场的地质勘查结果，对于该地块，其抗浮设计水位需达到地坪下0.5m以上。该项目所在区域的北侧与地铁2号线毗邻，其隧道盾构边缘与地下室外墙之间的最近距离是26.6m，项目北侧纯地下室以及该塔楼部分区域都处在地铁保护范围之内。按照地质勘查结果和该建筑工程的设计方案，该工程中的单体桩基础均为钻孔灌注桩，其基础形式是桩基加承台加底板，在地铁保护范围内应用的是厚板。经建设与设计单位共同商讨之后，决定按照现场静荷载试验结果来确定单桩竖向承载力特征值。对于地下室，施工过程中应通过合理的措施来实施降水处理。

根据本次工程毗邻地铁安全保护区域的实际作业技术要求，在本次工程中，决定将5#单体建筑的钻孔灌注桩直径设计为φ850mm，长度设计为67m，要求桩端需进入到地下的⑨层粉砂层内，单桩顶部竖向荷载应控制在300T及以下。对于纯地下室，其钻孔灌注桩直径设计为φ600mm，长度设计为36m，东北侧PD-2坡道位置的桩长设计为44m，将⑦2层灰黄-灰色粉砂层作为其桩端持力层。

对于5#单体建筑下的局部区域，其板厚度设计为2 800mm；对于其他区域，其板厚度设计为1 200mm。对于5#单体塔楼以及纯地下范围，按照桩尖持力层实际的压缩模量，通过YJK基础模块来计算其基础沉降。

2.2 结构选型设计

按照本次工程设计，该项目中的5#塔楼地上建筑包括13层楼层加一层屋面构架层，地下结构为3层地下室。整体建筑的平面尺寸是423m×46.8m，整体结构高度60.9m，包括构架层的总高度是66.3m。该塔楼建筑结构的上部是钢框架体系，首层设置了钢支撑，整体建筑都嵌固在了首层大底板地下室中的顶板结构上。

在该塔楼建筑中，每一层都有宽度在50%以下的典型楼板，其首层高度是6.9m，其他各层高度均为4.5m，将中心支撑布设在首层，以此来增加其整体结构刚度。在塔楼的8层楼面，需要向上结构X以及Y方向上各收进一跨；在10层到屋面构架层10轴左侧以及EA轴上，均设置了外伸悬挑结构，前者外伸长度是8.55m，后者外伸长度是7.65m。将竖向拉杆设置到外伸悬挑段上，使其和顶部构架层中的桁架连接到一起。表1是本次超限高层建筑结构选型设计中的主要构件截面参数情况。

表1 本次超限高层建筑结构选型设计中的主要构件截面参数情况

2.3 超限高情况与加强措施

结合上述的平面竖向布置特征及其相关模型的计算与分析结果，依据该项目所在地住建部门对于超限高层建筑抗震设防方面的审查技术要求，在本次工程项目的结构设计中，特对5#单体塔楼实施了超限判别。经判别确定，该建筑工程为超限高层建筑，在具体的抗震设计过程中，需要按照超限高层建筑工程的专项标准来审查其抗震设防。以下是该超限高层建筑的整体规则性分析结果：（1）一般不规则项主要包括以下几个：①扭转不规则，其超限判别结果是（X1.27，Y1.3）；②偏心布置，其超限判别结果是8-9层质心差达到了24%；③局部楼板不连续，其超限判别结果是9层楼板有效宽度只有典型宽度的25%；④偏向刚度不规则，其超限判别结果是9层局部收进尺寸是8层的28%，且每一层的悬挑都超过了4m；⑤其他不规则项，其超限判别结果是局部存在穿层柱。（2）特别不规则项是楼板的有效宽度较小，其超限判别结果是两层屋面楼板有效宽度只有典型宽度的40%。

按照该超限高层建筑所在地的一般抗震性能设计原则，并综合其整体结构设计方面的经济性考虑，本次抗震设计中，设计单位决定针对指定的各个关键构件进行抗震性能目标设计，而并不是对整体建筑结构的抗震性能目标进行全面设计。综合上述超限判别分析结果，结合该超限高层建筑的实际设计方案，设计者对其中的关键构件、普通构件以及耗能构件做出了合理确定。（1）关键构件包括以下几项：①首层斜撑；②跃层柱；③8层屋面悬挑端部的吊柱；④屋面悬挂桁架。（2）普通构件主要包括跃层柱除外的一般区域框架柱结构。（3）耗能构件主要包括每一个楼层中的框架梁。

对于该建筑工程项目5#单体塔楼中的超限高不规则项，本次抗震设计中，主要通过以下措施来进行抗震性能加强处理：（1）在布置结构平面时，应尽可能使每一层中的刚锌与其质心保持重合，或尽可能靠近；对于具有较大位移的位置，应增大其结构刚度；对于具有较小刚度较大的位置，应减小其构件的截面尺寸；对结构柱与支撑构件之间的轴压比加以严格控制；墙体材料应尽量选择低容重形式的材料，以此来降低建筑自重对其结构抗震性能的不利影响。（2）该建筑结构局部楼板不连贯问题是由于楼梯与井道开洞所致，因此在具体设计中，需通过与楼板平面刚度实际变化情况相符的计算模型来进行计算。如果计算后发现其结构具有较大的不规则程度，则需要将局部楼板变形影响计入其中。将洞口周边及其连接位置的楼板厚度与配筋适当加大，并将洞口边梁适当增加；对于洞口角部应力集中的位置，应将其钢筋设计为斜向放射状。将钢筋桁架组合形式的楼板应用到整体建筑结构中，并全面分析其在小震以及中震情况下的应力，再依照应力分析结果对楼板薄弱位置实施增加配筋处理。（3）收进局部结构的竖向体型，将竖向体型发生突变位置的上下两层楼板做加厚处理，使其达到140mm。结合实际情况，通过合理的措施来降低结构体型收进位置的刚度变化，将结构体型收进位置的上下各两层增加竖向构件，使其抗震等级较原来高出一级。（4）对于局部结构中的跃层柱，应加强其顶部和底部的支撑框架梁强度，并加强其构造措施，使其竖向传力保持连续。通过Midas对计算出的跃层柱长度进行复核，按照中震情况下不发生屈服来进行其强度控制，并使其应力和轴压比在小震情况下保持最小值。（5）对于悬梁区域，具体设计中，设计者需要对竖向地震作用加以充分考虑，结合实际情况，通过有效的措施来降低其结构自重，同时应使其结构形式具备较高的冗余度，并按照中震情况下不发生屈服对其大悬挑柱实施强度控制，让1.0恒载加0.5活载条件下的挑梁端应力比控制在允许范围内。对于屋面部位的挑梁桁架，应按照中震情况下不发生屈服来复核其构件设计，并在不考虑楼板作用的情况下对屋面桁架应力进行复核，同时应补充该结构中典型单榀桁架的相关计算结果。（6）对于首层结构抗侧刚度不足的状况，设计中，可将斜撑增加在其底部，以此来提升其抗侧强度，并使其抗侧强度达到均匀分布效果。同时应将首层结构的地震剪力加强1.25倍，并对支撑结构的抗倾覆力矩加以严格控制，使其始终处在一个比较小的水平。另外，设计中也需要合理确定具体的结构安装顺序，并确保底层框架构件在没有支撑作用下的承载力满足实际承载需求。（7）对于楼梯梁和主体结构连接孔，具体设计中，应将其设计为水平长圆形式，这样才可以使楼梯对主体结构中水平支撑的作用得以充分释放[4]。同时应将楼梯周边位置的梁截面做加强处理，以此来确保开洞周边的传力及其约束效果。（8）对于首层室内与室外存在高差的位置，可通过竖向加腋的方式进行高差位置梁的设计，并将高差位置的水平与竖向构件断面尺寸适当增大，再通过箍筋来实施全长加密处理。（9）通过MIDAS BUILDING以及YJK两种程序对多遇地震情况下的整体建筑结构抗震计算结果进行对比分析，将分层结构计算模型加以科学利用，充分考虑扭转以及偏心影响，对关键设计指标进行对比。同时采用三条地震波时程分析法对包络设计结果进行分析，并通过反应谱法来实施包络设计。（10）将PUSHOVER以及YJK分析模块作为依据，对整体建筑结构的塑性铰发育情况进行合理计算，从而将结构中的薄弱部位找出，并结合实际情况，通过针对性的措施进行加强处理。

3 超限高层建筑抗震性能分析

3.1 塔楼抗震计算结果分析

通过MIDAS BUILDING以及YJK程序计算出的各项参数结果对比分析发现，两程序模式下的该超限高层建筑结构的周期、质量、位移角、振型、减重比、位移比及其轴压比等的计算结果都基本相同。但是因为该建筑结构8层以上为收进结构，且其双侧都加设了大悬挑，所以其结构中部位置上下两分段的质心具有较大的偏心情况。在这样的情况下，前两阶模态中便出现了20%左右的扭转模态。除此之外，其他所有的设计指标都与现行规范中的相关要求相符。表2为本次超限高层建筑在两种软件中的多遇地震情况计算结果。

表2 本次超限高层建筑在两种软件中的多遇地震情况计算结果

3.2 弹性时程分析

在该超限高程建筑项目的抗震设计中，设计者将《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010中的相关规定作为依据，通过YJK软件中的弹性时程分析模块，采用一条人工波以及两条天然波进行了该建筑结构的时程补充分析。分析时，将主方向上的峰值加速度取值确定为35cm/s2。表3为该超限高层建筑结构弹性时程分析结果。

表3 该超限高层建筑结构弹性时程分析结果

经进一步分析发现，X向与Y向上的每一条时程曲线所形成的结构底部剪力都比振型分解反应谱计算出的结果大。计算多条时程曲线获得大结构底部平均剪力也较振型分解反应谱计算出的结果大。说明该建筑结构的抗震设计完全符合规范标准，可达到小震应力最低、中震不出现屈服的抗震设计效果。

3.3 静力弹塑性推覆分析

按照《高层建筑混凝土结构设计规程》JGJ3-2002中的相关规定，若高层建筑的高度在150m及以下，便可通过静力弹塑性法进行推覆分析。本次分析中，通过倒三角以及CQC弹性地震力两种方法来进行静力推覆对比分析。经分析发现，两种方法计算出的结果十分接近，且在同一种加载模式中，正向计算结果与反向计算结果也基本一致。在罕遇地震情况下，X向性能点层间位移角最大值在1/85左右，较标准规定的1 850小；Y向性能点的层间位移角最大值为1/80，较标准规定的1/50小，说明其抗震设计与规范要求相符[5]。

经进一步分析发现，在倒三角X+向推覆时，X+向首批塑性铰在第18步出现，其位置是中部个别横向框架梁位置。在加载步骤的不断增加中，塑性铰范围框架梁端也逐渐扩展。大震性能点位置中下部楼层都出现了塑性铰，框架梁端的塑性铰更多，但是关键部位并没有出现严重损伤情况。说明整体结构的抗震设计比较合理，可充分满足大震不倒的标准。

4 结论

通过某超限高层建筑工程结构的抗震设计分析发现，合理的抗震设计与性能分析可有效确保超限高建筑的抗震设计效果，满足其实际建设与应用需求。在本次的超限高层建筑抗震设计与性能分析中，主要得出了以下结论：（1）对于超限高层建筑，应结合其基本情况与实际需求来实施地基基础与结构选型设计。（2）根据实际的超限分析结果，采取合理的措施来加强其结构抗震性能。（3）在完成了超限高层建筑的抗震设计之后，设计者还需要采取合理的技术措施来分析其抗震性能，以此来确保抗震设计的合理性。