平面不规则超限高层建筑的抗震设计

李志强，王铁龙，徐振文

(北京特种工程设计研究院，北京 100028)

随着城市化进程的推进，超限建筑工程在城市中的数量日益增多。因此，在设计这些超限建筑工程时，应和规范定义的构造措施和设计计算方法不同，根据实际情况，使用更加复杂的结构设计和构造措施。这些复杂的结构和构造会使得建筑的抗震性能变得更为重要[1-3]。例如，当对楼板进行开洞来增强通风和采光效果时，则可能会导致结构平面的不规则性。在地震发生时，惯性力作用于质量中心会产生扭转力矩影响刚度中心，从而引起结构扭转耦联的空间振动。此外，大开洞的楼板会导致各楼层水平刚度下降。因此，针对这类平面不规则的高层建筑需要进行弹塑性分析验证，并采取抗震加固措施，以确保其抗震安全性能。

1 工程概况

本工程建设地点位于北京市海淀区永丰产业基地，北侧为丰润中路，东侧为永丰路。总建筑面积69 922m2，其中地上建筑面积57 693m2，地下建筑面积12 229m2，建筑占地面积10 545m2。建筑主要功能为科研办公楼，建筑物总长168m，宽88m，平面呈“工”字形。地上部分由五个独立的抗侧力单元组成，地上七层，地下一层(另设有设备管道转换夹层)，图1为结构标准层平面图。

图1 建筑标准层平面图

建筑物总高度39.90m，属于《高层建筑混凝土结构技术规程》中A级高度。建筑场地抗震设防烈度为8度[3]，设计基本地震加速度为0.2g，设计地震分组为第一组，场地类别为III类，抗震设防类别为重点设防类(乙类)。基本风压其值为ω0=0.45kN/m2，地面粗糙度类别为B类。人防地下室抗力等级为核-六级(局部核-五级)。

2 结构方案

2.1 抗震缝问题

由于结构平面尺度较大且平面布置不规则，故将整个建筑物分为5个较规则的结构抗侧力单元，各结构单元之间设防震缝。此外，为满足建筑功能需要地下室不设防震缝，但在防震缝处加强了构造和连接。如图2所示，地下部分施工时每隔40m设800mm宽的抗收缩后浇带，其中纵向2条，横向3条，将地下室分成9个部分。

图2 地下部分防震缝的加强构造图

2.2 超限情况总结

本工程为平面特别不规则、钢筋混凝土加钢楼面的框排架混合结构，属超限高层建筑工程。整体上二段布置有较大的中庭，结构平面布置凹凸较大，根据《建筑抗震设计规范》第3.4.1条[4]发现二段存在以下超限情况。

1)扭转不规则。楼层的最大弹性水平位移为该楼层两端弹性水平位移平均值的1.4倍，超过了规范1.2倍的要求；2)凹凸不规则。结构平面凹进的一侧尺寸，大于相应投影方向总尺寸的30%；3)楼板局部不连续。开洞面积大于该层楼面面积的30%。

2.3 结构方案

见图3所示，二段布置有较大中庭且结构平面凹入较大，为提高结构的抗扭刚度，在二段的四角设置了较厚的剪力墙筒体；结构体系为现浇钢筋混凝土框架-剪力墙；结构框架及剪力墙的抗震等级均为一级，剪力墙的底部加强部位为地下一层至地上二层，地下室抗震等级与上部结构相同；大厅周边楼板采用主、次梁+现浇钢筋混凝土楼板体系；北侧门厅上方各层采用钢梁+压型钢板+现浇钢筋混凝土组合楼板体系；中庭采光屋面采用双向张弦索桁架。相应的二段结构整体计算模型见图3。

图3 二段结构整体计算模型

3 结构分析与计算

3.1 抗震设计措施

结合混凝土结构以及建筑抗震设计规范要求[4-5]，针对抗震缝和超限问题，给出以下抗震设计措施：1)在不规则结构平面处布置剪力墙位置，在二段四角设置剪力墙筒体；2)对中庭大跨度结构构件增加竖向地震作用为主的工况：竖向组合系数1.3，水平向组合系数0.5；3)针对凹凸不规则和楼板局部不连续问题，计算模型中不考虑窄楼板刚度，将窄楼板部分板厚取为0，按荷载输入；4)大厅南侧开口处筒体高宽比较大以及明显扭转效应，复核其底部加强部位的墙肢在中震下的拉力，型钢全高设置；5)大厅南侧开口处筒体与主体仅有窄板相连，连接薄弱，建议取出独立计算。对考虑部分弹性楼盖的整体模型和独立的局部模型的计算结果应进行比较分析，按合理的结果设计；6)在水平和竖向地震作用下，支承大厅张弦梁屋盖的墙、柱的偏压、偏拉承载力按中震不屈服复核，受剪承载力按中震弹性复核；张弦梁节点、支座以及边桁架支座的承载力按中震弹性复核；7)提高重要墙、柱的抗震等级，将与屋面主桁架相连的墙、柱定为特一级，并在柱内设置型钢，并对该部分墙、柱进行中震补充计算，保持中震下不屈服；8)防震缝宽度应满足在中震弹性计算下不发生碰撞的要求。

3.2 结构计算

3.2.1 结构计算参数

为了验证上述预防措施对整体抗震的影响，采用SATWE和PMSAP结构分析软件对整体结构以及局部构造进行评估，在计算结构各种参数指标时需考虑5%的偶然偏心影响，还有配筋时也需考虑双向水平地震的作用。具体设置参数如下：场地特征周期：0.45s；结构阻尼比：4%(考虑钢结构部分对整体结构的影响)，并用2%验算钢结构部分。

3.2.2 结构整体模型小震计算结果

(1)周期及振型分析，如表1所示，结构前3阶振型分别为Y向和X向的平动，周期值逐步较少，第2阶周期为扭转，扭转系数分别为0.88和0.64。

表1 自由振动基本参数表

如表2所示，结构周期比分别为0.815、0.835，满足规范不大于0.9的限值要求[5]，结构具有较好的抗扭刚度。

表2 扭转周期与平动周期

(2)结构顶点位移，如图4(a)所示，在规定风荷载作用下，SATWE所计算出结构X向和Y向的最大顶点位移分别为1.76mm和0.75mm，满足规范对扭转效应的控制要求[5]，SAP也得出类似结果。地震作用下结构X向和Y向的顶点位移分别为25.74和17.43(图4(b))，满足规范对扭转效应的控制要求[5]。此外，类似于风荷载，SATWE的计算结果均大于PMSAP。

(3)结构层间位移，如表3所示，PMSAP所计算出的结构X向和结构Y向最大层间位移角分别为 1/18 222、1/42 223，均位于第4层，2个方向均满足规范的限值要求[5，7]。

(a)风荷载 (b)地震作用

表3 风荷载作用下层间位移

表4显示在地震作用下最大层间位移比均在2层。此外结构X向最大层间位移角为1/2 552、1/2 927，结构Y向最大层间位移角为1/2 298、1/2 531，均位于第8层，2个方向均满足规范的限值要求[5，7]，结构2个方向的变形均呈弯曲型变形曲线，符合剪力墙结构的受力特性。

表4 地震作用下层间位移

(4)结构标准层层间侧向刚度比，如图5(a)所示，SATWE计算结果表明结构标准层侧向刚度RJX和扭转刚度RJY均不小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上3层侧向刚度平均值的80%，满足规范要求。相似的分析结果也可见图5(b)，其中Ratx，Raty为X，Y方向本层塔侧移刚度与下一层相应塔侧移刚度的比值；Ratx1，Raty1为X，Y方向本层塔侧移刚度与上一层相应塔侧移刚度70%的比值或上3层平均侧移刚度80%的比值中之较小者。此外标准层间抗侧力结构的受剪承载力不小于上一层要求的80%，满足高规[5]要求。

(a)侧向刚度RJX和扭转刚度RJY (b)刚度比

3.2.3 剪力墙、型钢混凝土柱中震分析

根据《建筑抗震设计规范》[3]和《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》[6]的规定，设置为中震(50年基准期内超越概率10%)Ⅲ类场地，Tg=0.40，αmax=0.46。此外，在水平和竖向地震作用下，按中震不屈服对支承大厅张弦梁屋盖的墙、柱的偏压、偏拉承载力按中震不屈服复核，并且验算了剪力墙和型钢混凝土柱，确定其满足中震弹性的要求。如图6所示，中震作用下超限结构的X向地震最大层间位移角为1/419(8层)，小于抗震规范的1/400，说明抗震剪力墙和型钢混凝土柱均满足中震正截面不屈服、抗剪弹性的要求。

图6 中震下最大位移简图

3.2.4 分离计算

为了验证第5条抗震设计措施，假定大厅南侧开口处筒体与北侧楼板连接薄弱部位发生破坏，南侧两筒体与顶部屋面支撑钢架成为独立的抗震单元，在单元内抗震墙能形成明确的、独立的结构抗侧力体系，如图7所示。在水平和竖向地震作用下，筒体剪力墙的偏心承载力按中震不屈服复核，采用建独立的局部计算模型，作为该部分的配筋补充依据，满足“大震不倒”的原则。

图7 角部筒体局部计算模型

4 结语

针对高层建筑高度超限和平面不规则的结构特点，需附加综合性的抗震加强措施。结合本工程结构计算结果得出如下结论：1)合理布置剪力墙以收敛结构的扭转效应来解决平面扭转不规则问题；2)采用不同计算模型对结构整体以及重要部位的局部进行验算，结果表明抗震设计方案能保证结构设计能够涵盖结构的实际各种可能受力状态；3)采取结构措施加强接薄弱部位，在连接部位发生破坏时建议分别按独立的抗震单元进行分块计算可确保结构大震安全；4)对受力复杂、扭转效应大的角部及连接重要的柱，建议设防烈度提高一度。