超限高层结构设计整体计算分析——以重庆渝北某项目为例

刘勇

（重庆英才中域建筑设计有限公司 重庆市渝北区　401147）

超限高层结构设计整体计算分析
——以重庆渝北某项目为例

刘勇

（重庆英才中域建筑设计有限公司 重庆市渝北区401147）

本文简述了重庆市渝北区某商业中心超限高层项目的结构整体计算分析，主要介绍了工程概况、超限情况、结构超限整体计算分析、超限结构抗震构造措施等内容。

超限高层；超限整体计算分析；抗震构造措施

1　工程概况及结构体系、布置简述

1.1工程概况

本项目位于渝北区新牌坊转盘。共40层，建筑结构高度为171m，首层层高为9.2m，二层层高5.2m，其它层层高为4.2m。在11层和26层设避难层，避难层层高为4.8m。设有2层地下室，地下室主要作为地下停车库及设备用房。

图1　标准层建筑平面图

图2　项目立面效果图

1.2结构体系布置

本项目采用框架核心筒结构。核心筒采用现浇钢筋混凝土，其混凝土强度等级为C50～C30。结构利用建筑电（楼）梯间、设备管井及公共服务区组成剪力墙筒体，核心筒平面尺寸为17.1m× 18.2m。核心筒外围墙体的厚度，由700mm逐渐减小为400mm；核心筒内部墙体的厚度由400mm逐渐减小为300mm。

楼层平面核心筒区域以外部分为办公区，外框架柱距适应建筑使用的空间要求，外框柱间距最小为8.0m，最大为9.0m。外框柱截面由底部1600mm×1600mm逐渐减小为900mm×900mm。首层为满足建筑大堂空间需要，层高为9.2m。设计时对底部加强区外框柱均采用型钢混凝土柱，用于加强外框柱的延性及减少柱的轴向变形。

根据建筑平面功能布置及设备要求，本项目楼盖采用普通现浇钢筋混凝土梁板体系。混凝土楼板的厚度为120～180mm不等。地下室顶板厚度180mm，二层和所有楼层的核心筒区域板厚均为150mm，其余各处板厚均为120mm。

本项目嵌固端位于地下室顶板。地下室顶板无大开洞存在；楼板厚度为180mm，采用双层双向配筋；按剪切刚度计算的结构地上一层侧向刚度与相关范围地下一层侧向刚度的比值为0.32，比值<0.5；因此，该顶板作为嵌固端无问题。

本工程为超高层建筑，参考《场地详勘》对基础选型的建议，框架柱采用机械成孔灌注桩基础，最小有效桩长约为9.0m。选择中风化泥岩作为桩端持力层，其天然单轴抗压强度标准值为7.3MPa。核心筒部分采用筏板基础，筏板厚2.0m。选择中风化砂岩作为持力层，其地基承载力特征值为2.4MPa。

2　结构超限情况及抗震性能目标

2.1结构超限情况

（1）结构高度。根据《高规》第3.3.1条钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度，本工程结构属于高度超限，超限情况见表1。

表1　高度超限判别

（2）结构规则性。本项目无楼板不连续，无扭转、凹凸不规则等结构平面、竖向不规则等情况。也不属于其他特殊类型高层建筑等。

终上所述，本项目不属于特别不规则结构，但属于房屋高度超过《高规》表3.3.1中A级高度但不超B级最大适用高度的一般不规则高层建筑。根据《超限高层建筑工程抗震设防管理规定》（建设部令第111号）、《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（建质[2010]109号）及《重庆市超限高层建筑工程界定规定》（2010版），渝建发[2010]156号）的相关规定，本项目应进行超限抗震专项设计，并报重庆市超限高层建筑工程抗震设防专项审查。

2.2抗震性能目标

本项目的抗震设计在满足国家、地方规范的规定和要求外，将根据建筑性能化抗震设计的概念进行设计。综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构本身特点、建造费用和修复难易程度等因素，根据《高规》对抗震性能目标的划分，本项目抗震性能目标定为C级，即小震下满足结构抗震性能水准1的要求，中震下满足性能水准3的要求，大震下满足性能水准4的要求。

针对抗震性能目标的不同抗震性能水准，设计时的具体计算控制指标如表2。

3　结构整体计算分析及结果

根据《高规》对超限高层计算的相关规定，本项目分别进行了结构在小震（多遇地震）、中震（设防地震）、大震（罕遇地震）作用下的位移指标计算、承载力计算以及弹塑性变形验算。同时还要进行多遇地震作用下的弹性时程补充计算、各地震作用下的楼板应力分析以及结构构件在罕遇地震作用下的抗震性能分析。

表2　

3.1多遇地震作用下的弹性分析

在多遇地震作用下，本项目分别采用SATWE及Etabs两种三维空间结构分析程序进行计算比较，按振型分解反应谱法进行抗震计算及弹性时程补充分析计算。

按振型分解反应谱法进行抗震计算时，基于《安评报告》提供的安评反应谱数据与规范反应谱相应参数存在差别（见表3），在多遇地震作用下的计算分析中，分别按照规范反应谱和安评反应谱的地震动参数计算，计算结果对比见表3。

表3　

从结果可以看出，按照规范反应谱计算所得到大部分楼层的×向和Y向结构底部剪力比安评反应谱计算结果要大。因此，在多遇地震作用下的计算分析中选择规范反应谱为计算反应谱。对于35层以上楼层安评反应谱计算结果稍大于规范反应谱计算结果，设计时采用两种计算结果包络设计。

在进行弹性时程补充分析时，本工程选用《场地安评报告》提供的2条天然波及1条工模拟的加速度时程曲线进行弹性时程分析。将所采用各条地震波的地震影响系数调整为0.018g，即18cm/s2，地震波振型阻尼比ξ为0.05，地震波持续时间t实际地震为40s，人工模拟地震为28s，均大于结构基本自振周期的5倍和15s。地震波的时间间距△t为0.02s。

弹性时程计算结果显示，三条时程曲线补充计算结果满足规范要求；三条时程曲线计算所得各楼层剪力包络值大于规范反应谱相应值，故在后续设计过程中拟将反应谱全楼地震力放大系数调整至1.1倍进行设计。

通过以上分析表明。在多遇地震及风荷载作用下，各项控制指标均满足性能水准1的抗震性能目标。

3.2设防烈度地震作用分析

在设防烈度即中震作用下，本项目分别按中震弹性和中震不屈服进行计算分析。均不虑风荷载作用。中震弹性计算时，作用分项系数、材料分项系数、抗震承载力调整系数均与小震弹性计算相同。中震不屈服计算时，作用分项系数、材料分项系数、抗震承载力调整系数均取1。

通过设防烈度下的楼板应力分析，发现各楼板在楼板开洞周边及核心筒中间走道墙肢边缘有较大的应力集中，但应力超过混凝土抗拉强度标准值的区域大部分位于墙宽度范围内，其他区域均小于混凝土抗拉强度标准值；设计时将根据计算结果对核心筒范围内楼板采用双层双向配筋，确保混凝土楼板内的钢筋在中震作用下，钢筋不会达到屈服强度。

计算结果表明，在设防烈度地震作用下，结构竖向构件均处于弹性状态。框架柱轴压比、核心筒剪力墙的混凝土压应力均能满足设防烈度地震作用下的抗震设防目标要求。

3.3罕遇地震作用下结构构件的抗震性能分析

在罕遇地震作用下，本项目按SATWE大震不屈服计算分析和EPDA罕遇地震弹塑性动力时程分析分别进行了计算。其结果表明，少数框架梁抗弯屈服，抗剪不屈服；少数连梁抗弯屈服，个别连梁抗剪屈服。框架柱抗弯、抗剪均为不屈服；个别底部加强部位剪力墙抗弯屈服，抗剪不屈服。满足性能目标要求。

3.4罕遇地震作用下动力弹塑性时程分析

《高规》第5.1.13条规定：“B级高度的高层建筑、混合结构和复杂高层建筑结构，宜采用弹塑性静力或弹塑性动力分析方法补充计算。”本工程属于超过《高规》表3.3.1中A级高度但不超过B级最大适用高度的一般不规则结构，有必要了解结构在罕遇地震作用下的特性。

本工程进行弹塑性分析时，选用了和《安评报告》反应谱在统计意义上最为接近的三条地震波，1条人工波，2条天然波。计算结果表明：最大层间位移角均小于《高规》中层间弹塑性位移角限值（1/100）的要求，罕遇地震作用下的基底剪力约为多遇地震作用下的4～7倍。结构基本保持弹性，只有少数耗能构件进入塑性。竖向构件均未进入塑性，少量连梁及框架梁出现塑性铰，满足预期性能目标。

4　结构抗震措施

在设计过程中，从结构计算分析、结构抗震概念设计和构造加强措施等几个方面，采取相应设计对策和构造加强措施，可以确保该工程安全、可靠、经济。

4.1计算分析

（1）采用两种计算程序对塔楼进行计算，互相校核整体指标，确保计算准确、可靠。

（2）对塔楼进行弹性时程分析补充计算，对弹性时程分析结果中局部层间位移较大的楼层在构造和配筋上给予加强。

（3）严格控制作为主要抗侧力构件轴压比。

（4）为保证结构延性，计算构件承载力时，满足“强剪弱弯”的要求。

（5）进行弹塑性动力时程分析，并根据分析结果对薄弱部分或构件进行构造加强。

4.2结构抗震概念设计及构造

（1）设置剪力墙底部加强部位，提高墙底部受弯和受剪承载力；在剪力墙底部加强部位及其上一层，设置约束边缘构件，加大该部位的配箍率。

（2）设置约束边缘构件上两层为过渡层，适当加强过度层的配筋。

（3）合理选取较规范限值稍大的剪力墙分布筋配筋率，保证核心筒剪力墙的足够的抗剪承载能力。

（4）控制剪力墙底部加强部位轴压比小于0.5。

（5）控制底部加强部位型钢框架柱及普通钢筋混凝土框架柱轴压比小于0.7。

（6）对少量剪力过大的连梁，在连梁中间设置交叉暗撑，以满足强剪弱弯的抗震概念设计要求。

（7）适当加强剪力墙竖向截面变化处分布钢筋的配筋率。

5　结语

综合以上整体分析结果表明：该结构在小震基本组合下及风荷载作用下，承载能力和变形能力均能满足现行规范要求。时程分析与反应谱之间具有一致性和规律性，符合工程经验及力学概念所做判断；能够满足“小震不坏”的设防目标。在设防烈度地震作用下，结构基本上处于弹性状态；可满足“中震可修”的设防目标。在罕遇地震作用下，结构层间弹塑性位移及层间位移角均满足规范限值要求，主要竖向构件未进入坍塌状态；可满足“大震不倒”的设防目标。

该结构具有良好的抗震性能，抗震设防总体上能达到性能目标C的要求，计算结果中各项指标均满足现行规范和规程的要求，验证了结构设计方案是安全、可靠、合理的。

[1]《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）.中国建筑工业出版社，2010.

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

[3]《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）.中国建筑工业出版社，2010.

[4]李国胜.《高层混凝土结构抗震设计要点、难点及实例》.中国建筑工业出版社，2009.

[5]徐培福.《复杂高层建筑结构设计》.中国建筑工业出版社，2005.

TU973.2

A

1673-0038（2015）20-0015-03

2015-4-29

刘勇（1979-），男，工程师，本科，主要从事结构设计工作。