浅谈高层建筑结构抗震设计的要点

刘玉雄

摘 要：文章主要针对工程实例对高层建筑结构抗震、主体结构设计、地基基础与地下室设计及对结构计算分析进行了简要的探讨。以供类似工程参考、应用。

关键词：高层建筑、结构抗震设计

一、工程实例

该工程为一栋高层建筑住宅楼，地下1层，地上层数为49层，高度为154.8米。二层以上为剪力墙结构，由于底层大堂大空间的需要，部分剪力墙无法落地，需要转换，因此结构为部分框支剪力墙结构体系。转换层设于二层楼面，采用梁式转换。该结构强度计算基本风压按100年重现期取值，取W。=0.50kN/㎡；位移计算基本风压按50年重现期取值，为0.45 kN/㎡。拟建场地内未发现影响建筑物稳定性的不良工程地质作用。场地抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组第一组；建筑场地类别为II类；经进行地基土液化可能性判别，该场地为非液化场地。

二、建筑抗震结构设计

2.1 地震作用及抗震措施

根据《安评报告》，小震下水平地震影响系数最大值αmax为0.084，超过《抗震设计规范》中7度设防烈度的αmax，故小震地震作用计算按照《安评报告》取值计算，中震、大震按照规范取值，抗震构造措施适当加强。该高层建筑住宅高度为154.8米，按照抗震规范规定，6度区框支剪力墙结构的B级高层建筑的最大适用高度为140m。应该采取更严格的抗震设计措施以及构造措施。

2.2 抗侧力体系布置

本工程平面呈梭形，长宽比2.95。根据建筑布置，利用房间隔墙、楼梯间、电梯间布置剪力墙，受建筑限制，体型较薄方向（Y向）布置剪力墙较多，X向能布置的剪力墙较少。根据计算结果，由于本工程设防烈度为6度，地震作用下结构反应较小，易于满足规范要求。X向迎风面较小，也易于满足规范要求。Y向迎风面较大，Y向风荷载下的侧向变形是控制设计的主要影响因素，整体位移曲线呈典型的弯曲型，最大层间位移角出现在40层附近。为增加Y向抗侧刚度，端部两片剪力墙加厚至600mm，中间房间分隔墙基本为300mm厚，部分为400mm厚，标准层的墙厚没有变化。底层因建筑需要形成南北通畅空间，局部区域上部剪力墙无法落地，通过转换构件将上部竖向及水平荷载传递至框支柱。转换采用转换梁形式。由于上部剪力墙在端部有洞口，致使转换梁内剪力较大，而转换梁高度又受到限制，故通过在梁内设置型钢增加抗剪承载力。为增加延性，在转换梁两侧的框支柱内设置型钢。底层落地剪力墙加厚，增加底层侧向刚度。

2.3 加强构件措施

由于本工程高层结构的建筑高度为超B级，因此本结构采取加强措施以确保其受力安全合理。采取加强措施如下：

（1）对于高度超限的抗震加强措施：将底层剪力墙和框支柱抗震等级从一级提高至特一级。底部加强区剪力墙抗震等级从二级提高至一级。

（2）对于平面规则性超限的抗震加强措施：由于平面较长造成楼层位移比超过规范限制1.2，但小于1.3。增大端部剪力墙水平分布筋的配筋率，加厚端跨楼板厚度并双面双向配筋，使端墙承受的水平地震力能传递至相邻内部剪力墙。

三、地基基础及地下室设计

3.1 地基基础设计

本工程的地基基础设计等级为甲级，基础采用桩基-筏板基础。地下室底板面标高为-5.350m，底板厚2.5m，主楼基础埋置深度7.85米，为主楼高度的1/19.7。根据地质勘察结果表明，该建筑场地内7层中风化砂砾岩是良好的桩端持力层。基础采用Φ850钻孔孔灌注桩，桩端持力层设置于7层土，为嵌岩桩，嵌岩深度2.5m，桩长23～28.5米，单桩抗压承载力特征值为4200kN～5000kN。经验算，在罕遇地震和风作用工况下，边缘部位的桩均未出现拉力。地下室在塔楼和裙房之间不设沉降缝，通过控制塔楼沉降量，在塔楼与裙房之间设置沉降后浇带，并采取控制后浇带封闭时间等措施，来調整塔楼与裙房之间的差异沉降。

3.2 地下室设计

地下室为1层，顶板楼盖采用梁板结构。本工程塔楼与裙房于地下相连，地上设缝脱开。塔楼外围即为地下室外墙，同时利用地下室电梯井壁及部分填充墙布置剪力墙，使地下室刚度达到大于一层刚度2倍的嵌固要求。经计算地下一层与一层楼层的侧向刚度比为X向为6.86，Y向为3.69。地下室顶板可以作为上部结构的嵌固端。鉴于本工程的地下室结构超长，因此设置施工后浇带和沉降后浇带来减少混凝土早期收缩对结构的不利影响。

四、 结构计算分析

本工程采用SATWE进行计算设计，用ETABS程序进行了校核比较，并采用弹性时程分析结果与前两者进行分析比较。其主要计算结果如下。

4.1 层间位移角

表1 风荷载和地震作用下的弹性位移角

风荷载作用下的弹性位移角 地震作用下的弹性位移角 偶然偏心地震作用下楼层最大位移比

X方向 Y方向 X方向 Y方向 X方向 Y方向

1/3593 1/1010 1/2669 1/2175 1.03 1.29

4.2 转换层上下楼层侧向刚度比

为满足建筑功能要求，二层有局部剪力墙无法落地，形成框支剪力墙结构体系。根据《高规》10.2.3条，转换层上部结构与下部结构的侧向刚度比γ应符合附录E.0.1条。按附录E.0.1条计算得到的等效剪切刚度比分析结果见下表。

表2 等效剪切刚度比分析结果

X向刚度（kN/m） Y向刚度（kN/m）

1层 7.0214E+07 1.7453E+08

2层 8.2429E+07 3.0113E+08

1层与2层刚度比γ 0.85 0.58

可见底层的剪切刚度为上层的58%，满足《高规》附录E.0.1中大于50%的要求。

4.3 罕遇地震弹塑性分析

对该高层结构进行静力弹塑性分析（pushover）。采用两种推覆力分布模式，一种是倒三角形分布模式，另一种是CQC地震力分布模式。其主要计算结果为，倒三角形分布模式下结构能力曲线与需求谱曲线的交点及性能点坐标为：X方向为4.251s，Y方向为3.671s，X方向需求最大层间位移角为1/458，Y方向为1/637，满足大震下层间位移角1/120的限值。通过以上计算分析结果表明：在小震作用下，结构各项控制指标均在合理范围内，而且该高层结构全部构件的抗震承载力和层间位移均满足现行规范要求，结构构件处于弹性工作状态，满足规范要求。在中震作用下，结构的竖向构件、转换构件及框支框架处于弹性工作状态。在大震作用下，薄弱位的部分构件均未达到屈服阶段且满足变形限制要求，结构的最大层间位移角X方向为1/458，Y方向为1/637。框支层最大层间位移角为1/9999；竖向构件不发生剪切破坏，满足结构预期性能目标和规范要求。对重要构件的细部构造采取加强措施：框支柱、转换梁和框支层框架梁采用型钢混凝土构件；提高底部加强区墙体的分布筋配率和约束边缘构件的体积配箍率；各构件的构造均满足高延性要求。综上所述，高层结构在小震、中震、大震作用下，其受力性能均满足设计的预期性能目标和满足规范要求。因此本高层结构所采取的设计措施是可行和可靠的。

五、 结语

随着超高层住宅建设项目的日益增多，其结构设计问题引起工程设计人员的高度关注。经过合理地布置结构及详细的分析计算，遵循整体结构小震不坏，中震可修，大震不倒，关键构件中震不坏，大震可修的抗震设计思想，对重要构件及体系中各薄弱部位分别加强，使得本工程结构抗震设计安全可行。