广州市番禺现代信息服务业总部工程超限抗震设计

刘咏华

摘要：通过工程实例，介绍对超高层抗震的设计，说明如何选定合理的结构体系和计算参数。为满足抗震设计要求，本工程在设计过程中，对设计参数、设计指标的分析及处理有一定的可借鉴性，为类似工程提供了设计参考。

关键词：抗侧力结构体系 框架-核心筒 PUSH&EPDA SATWE ETABS 计算结果分析与验算

1.工程概况

工程位于广州市番禺区，总建筑面积278831平方米，裙楼3层，地下室3层，其中A塔楼为超限高层工程（高179.6米）。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，基本风压：0.65KN/㎡（塔楼），0.55KN/㎡（裙楼）。

2.主体结构设计考虑

2.1工程结构体系

高层建筑抗震设计，抵抗水平力是结构设计的首要考虑因素，所以抗侧力结构体系是结构设计的关键。本工程A塔楼结构设计的考虑是：以钢管混凝土柱框架和混凝土核心筒结构组成抗侧力结构体系；利用电梯井、楼梯间、卫生间和设备间布置落地核心筒；核心筒承受大部分的水平剪力和倾覆力矩，为主要的抗侧力构件；框架柱采用钢管混凝土柱使抗震性优良。

2.2对超限情况的抗震设计考虑

本工程为超限高层建筑，根据《建筑抗震设计规范》（2008年版）及广东省实施《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGI3-2002）补充规定，超限内容做如下考虑界定：

（1）本工程应该为B级高度丙类建筑；框架抗震等级为一级，剪力墙抗震等级为一级，地下室抗震等级同上部结构。

（2）根据结构平面布置及试算结果，本工程属于扭转不规则Ⅱ类；

（3）本工程二、三层（计算层为四、五层）楼板局部不连续。

3.结构整体计算结果的分析及判断

3.1采用的计算、分析程序和方法

由于本工程为B级高度的钢筋混凝土高层建筑，所以根据规范，工程整体计算采用SATWE和ETABS两个不同力学模型的三维空间分析软件进行了多遇地震作用和风荷载作用下结构的内力和位移计算，采用SATWE程序中的弹性时程分析法对建筑物在多遇地震作用下进行补充验算，采用PUSH&EPDA程序对建筑物在罕遇地震作用下进行静力弹塑性分析。

计算软件：SATWE为高层建筑结构空间有限元分析与设计软件；ETABS为集成化的建筑结构分析与设计软件；PUSH&EPDA为多、高层建筑结构弹塑性静力、动力分析软件。计算假定为采用刚性楼板（楼板应力分析时采用弹性楼板模型）；加载顺序分两步加载，第一步为施加重力荷载代表值，并在后续施加水平荷载过程中保持恒定；第二步为逐步施加竖向分布倒三角形的水平荷载。

3.2主要计算结果的分析

（1）位移验算分析：我们对竖向杆件的最大水平位移和层间位移进行分析，在考虑偶然偏心影响的地震作用下，按规范规定本工程的位移不应大于该层平均值的1.4倍；计算结果显示 本工程比值不满足要求，属于扭转不规则Ⅱ类；

（2）对结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期的比值：不应大于0.85，本工程比值满足规范及规程要求。

（3）对侧向刚度指标的验算：按相关规范规定，我们对本工程做了两方面的验算。作为B级高度的高层建筑，本工程计算结果满足要求（楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不宜小于其上层的80%）；对于抗震设计要求的高层建筑要求也满足（楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层的侧向刚度70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%）。

（4）对结构整体稳定性验算：框架——核心筒结构的计算结果满足EJd≥1.4H2∑？1=1Gi的技术规程规定；在水平力作用下，框架——核心筒结构不满足EJd≥2.7H2∑？1=1Gi时，需考虑重力二阶效应的不利影响；本工程的框架——核心筒结构楼层层间最大位移指标Δu/h限值满足1/800。

在多遇地震作用下，弹性时程分析法补充计算结果的分析

（1）我们将计算结果分别与天然地震波（TH3TG035、TH1TG040）和人工地震波（tt63%—1）三种情况做对比分析，底部剪力和底部剪力平均值X向、Y向均满足要求。

（2）说明：本工程弹性时程分析采用了两组实际记录的地震波TH3TG035和TH1TG040及一组安评报告提供的人工地震波tt63%—1波形符合技术规程规定，频谱特性符合本工程场地要求（二类），其地震影响系数曲线与规范提供的标准反应谱曲线在统计意义上相符。

（3）本工程弹性时程分析时每组地震波计算所得的結构底部剪力均不小于振型分解反应谱法65%，三组地震波计算所得的结构底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法的80%，分析结果符合规范及规程要求。

（4）计算结果显示，结构位移及内力曲线比较均匀，无突变。

（5）计算结果表明，除最大楼层剪力在39层以上由弹性时程分析结果的平均值控制外，其他各层均由振型分解反应谱法的结果控制。

静力弹塑性推覆（Pushover）主要分析结果

（1）在罕遇地震作用下，本工程各层弹塑性位移角的最大值均小于1/100，符合规范及规程要求，即建筑物可实现“大震不倒”的抗震设防目标。

（2）在性能点处，连梁普遍发生弯曲破坏，剪力墙主要在底部出现弯曲破坏，仅在局部极少数高斯积分点处出现剪切破坏，但未有连续发展的情况出现。

（3）考虑建筑物地基已落在微风化岩上，但进行Pushover分析时仍采用地面波，因此可认为结果是偏于安全的。

另外采用PMSAP程序对在多遇地震作用下楼板应力分析结果表明：由于该工程二层及三层局部楼板不连续，所以二、三层楼板在核心筒和洞口间楼板出现较大拉压力，最大值为5.0Mpa。

4.本工程抗震加强措施：考虑本工程为B级高度高层建筑，为增强结构的抗震能力，除按规范要求设计外，还采取了以下设计加强措施：

4.1计算取值做出调整 控制剪力墙在罕遇地震作用下的弹性剪应力不大于0.15fck，罕遇地震的水平力取6.25倍小震弹性计算值。经计算，本工程在罕遇地震作用下弹性剪应力为：X向0.0440fck，Y向0.0467fck。

4.2提高剪力墙底部加强部位的配筋率

（1）适当提高剪力墙底部加强部位的水平及竖向配筋率至0.8%，以确保核心筒在罕遇地震时不出现剪切破坏。

（2）采用抗震性能良好的钢管混凝土柱，并严格控制轴压比；约束边缘构件内设置芯柱，以此提高结构整体抗震延性。

4.3加厚首层楼盖板厚，适当提高配筋率，以保证水平力传递可靠。

4.4适当加强混凝土筒体周边楼板的配筋，并且该处楼板钢筋采用双层双向拉通，加强与筒体之间的锚固。

4.5加强开洞部位楼板的配筋率。

4.6加大外周边框架梁截面尺寸，以提高结构抗扭刚度。

4.7加强相应楼层竖向构件截面，以降低该部位楼层层间位移。

5.设计体会

对超限结构进行抗震性能设计，就是通过对结构进行试验或者数值模拟分析，所以本工程进行了框架-核心筒超限高层基于抗震性能的设计分析，多遇地震下，进行反应谱分析与弹性时程分析。罕遇地震下，进行静力弹塑性分析。从而确定结构的不规则程度，评估结构的抗震性能，发现结构潜在的破坏机制，针对性地加强薄弱部位，改善结构抗震性能。该工程通过三个水准地震作用分析，基本实现了抗震设防目标。超限抗震设计的四点体会总结如下：

1.水平荷载成为设计决定因素。

2.侧移是设计控制目标。

3.轴向变形的影响在设计中不容忽视。

4.延性成为结构设计的重要指标。