某复杂超限高层的建筑结构性能化设计分析

郑 刚

（中煤科工集团重庆设计研究院，重庆 400010）

引言

我国的高层建筑正在朝着多功能化、现代化、大型化的方向发展。目前，区别于传统高层建筑的新型高层建筑——超限高层建筑也越来越受到市场的喜爱[1]。超限高层建筑是指超出现行有关技术标准、规范所规定的适用高度、体型规则性等要求的高层建筑工程。由于传统高层建筑的设计方法存在一定的局限性，基于性能化的设计方法逐渐的被发展起来。对超限高层建筑结构来说，抗震性能化设计显得尤为重要。本文依据新修订的规范，通过软件SATWE，MAIDAS等有限元软件对某超限高层建筑进行结构性能化设计分析，着重讨论了结构的抗震问题，并提出了相应的加强措施。

1 实例分析

1.1 工程简介

该工程位于6度区，1号塔楼设有地下室、裙房。地下室为全嵌固地下室车库，3层。裙楼7层为综合大型商业，其中第7层为转换层。1号塔楼为商业住宅，塔楼35层，层高2.8m，结构总高度135m。本工程采用部分框支剪力墙结构。上部塔楼采 用钢筋混凝土剪力墙；下部裙楼为钢筋混凝土框架-剪力墙，部分框支。裙楼采用双重抗侧力体系，钢筋混凝土剪力墙作为第1道防线，框架作为第2道防线。

裙楼为多层商场属乙类建筑。其抗震措施应提高1度，按7度确定。塔楼部分为商住楼，属丙类建筑，其抗震措施按6度确定。本工程为超A级高度、高位转换的复杂结构体系，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第3.11.1条，结构抗震性能目标分为A、B、C、D四个等级。本工程选用C级性能目标。即多遇地震、设防烈度地震和预估的罕遇地震对应的结构抗震性能水准分别为1、3、4。各性能水准结构的预期的震后性能如表1所示。

表1 各性能水准结构的震后性能状况

选用C级结构抗震性能目标。

1.2 结构超限情况分析

根据我国《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）规定，对结构超限情况做以下总结说明：高度超限，为B级高度高层建筑；转换层位于裙楼第7层，属高位转换；大底盘，与塔楼的偏心严重；裙楼有一较大洞口，使楼板有效宽度较小；塔楼面积比裙楼面积小很多，塔楼收进明显；楼层扭转效应较明显；由于转换层的存在，结构竖向侧度分布不均匀。因此，1号楼结构属超限高层建筑。

1.3 超限结构性能化设计

前面已经总结1号楼计算单元存在超A级高度、高位转换、大底盘、上部楼层收进、楼板开洞等超限项。为了保证超限结构设计做到安全、经济、合理，从结构分析和结构抗震措施两方面入手，保证结构具有良好的抗震性能。

对超限结构的结构设计主要有3方面：采用3种不同力学模型的空间分析程序SATWE（2011.9）、PMSAP（2011.9）、Midas Building进行对比校核计算，确保计算结果的可靠性；根据高规第5.1.13条规定，采用弹性时程分析法对结构进行了多遇地震作用下的补充计算，要求所采用时程曲线的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符；采用EPDA（2011.9）进行罕遇地震下的结构的弹塑性时程反应分析，考查结构的大震下的性能。

对于本超限结构的抗震措施主要有：从严控制结构的抗震等级；裙楼采用双重抗侧力体系；优化结构布置，合理布置剪力墙数量和位置，控制结构的扭转效应；增加落地剪力墙数量，尽可能的减少结构侧向刚度沿高度的变化；采用增加板厚（板厚取为120mm）和次梁等方式，提高楼板的整体性，保证楼板的传力作用。

本工程中的关键构件为框支框架、底部加强部位剪力墙，普通竖向构件为普通框架柱、非底部加强部位剪力墙，耗能构件为框架梁、剪力墙的连梁。

针对超限设计的措施及对策：

裙楼采用双重抗侧力体系，钢筋混凝土剪力墙作为第1道防线，框架作为第2道防线。为保证作为第2道防线的 框架具有一定的抗侧力能力，通过调整使各层框架承担的地震总剪力不小于底部总剪力的20%。

优化结构布置，合理布置剪力墙数量和位置，控制结构的扭转效应，使结构的扭转指标控制在现行规范规定的范围内。

调整落地剪力墙数量及位置，尽可能的减少结构侧向刚度沿高度的变化，使结构的各项抗震性能指标满足现行规范要求

1.4 超限结构性能化分析

本超限结构的设计分析采用PKPM-SATWE、PMSAP、MIDAS分析软件程序进行对比校核计算，建立分析模型如图1所示。本分析模型地下室一层的侧向刚度远大于首层的侧向侧度，因此满足嵌固端的要求，嵌固端选为地下室顶板；同时将1号楼简化为单塔形式，如图1所示。

图1 1号塔楼分析模型

通过有限元软件PKPM-SATWE、PMSAP、MIDAS对结构设计进行抗震性能化分析。对于此超限结构性能化分析主要对于小震作用下结构弹性性能分析（采用SATWEPMSAP与MIDAS对结构振型分解反应谱法进行分析，并对弹性时程进行分析）；同时对于中震作用下结构性能进行分析与结构弹塑性性能进行分析。通过有限元软件对比分析，对结构性能化抗震性能做了分析。

1.5 分析结论与加强措施

1.5.1 本工程存在的问题

本工程采用采用SATWE、PMSAP、MIDAS三个不同力学模型的空间分析程序得到的各项指标基本一致，指标间的规律性相同，计算结果可信。通过分析主要存在的问题归纳为：

小震作用下，转换层使得结构的楼层质量和侧向刚度在转换层位置发生突变，导致结构的层间位移角和位移比在该处发生突变。位移比，特别是偶然偏心作用下的位移比接近规范上限。

大震作用下，1号楼的转换层以下部分剪力墙的端柱、与剪力墙相连的框支梁、转换层以上塔楼剪力墙底部较薄弱，设计时应注意。

楼板受力分析表明：在小震作用下，楼板平面内的剪应力值远小于楼板的抗剪强度，楼板处于弹性；而在大震作用下，部分楼板的平面内剪应力值超过其抗剪强度，设计时应加强。

综上所述，结构具有较好的抗震性能，结构能达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震性能设计目标，结构方案可行。

1.5.2 加强措施

结构计算单元均为严重的不规则结构，虽相关指标满足规范和规定的要求，但仍存在结构周期较柔、有抗震薄弱部位、部分指标接近上限等问题。根据分析，给出如下的设计主要加强措施：

为了防止中震和大震下1号楼大洞口两侧楼板破坏后改变1号楼的地震力传递途径，对1号楼大洞口两侧连接楼板进行加强，施工图设计时建议板厚设计为120mm以上，提高最小配筋率，采用3级钢作为板钢筋，配筋面积不小于双层双向φ10×120mm。

结构转换层以上塔楼底部是结构抗震薄弱部位，要求部分采取与转换层相同的混凝土强度等级和抗震等级。

根据计算分析，3栋塔楼转换层以上塔楼底部均为薄弱层。建议施工图设计时，该部分剪力墙墙厚增加至250mm以上，最小配筋率提高至0.35%，暗柱配筋率提高至1.5%，以提高延性，改善抗震性能。

2 结语

通过分析可以看出，本工程结构虽为复杂超限高层结构，但通过性能化设计，进行弹性和弹塑性分析，可以判定所选用的结构的抗震性能，针对选择目标值及分析结果，采用有针对性的加强措施，使结构能达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震性能设计目标。

[1]吕西林，李学平.超限高层建筑工程抗震设计中的若干问题[J].建筑结构学报，2002，23（2）.

[2]JGJ3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].中国建筑工业出版社.

[3]GB50011-2010 建筑抗震设计规范[S].中国建筑工业出版社.

[4]陈建斌，罗志远.某超限高层建筑结构整体设计分析[J].建筑结构，2005，35（3）:66-70.