明宇金融广场超限高层结构设计分析

陈 可

(成都惟尚建筑设计有限公司，四川成都 610041)

明宇金融广场超限高层结构设计分析

陈 可

(成都惟尚建筑设计有限公司，四川成都 610041)

文章结合明宇金融广场工程实例,对超限高层结构的抗震设计过程进行介绍。通过结构在小震、中震、大震作用下的弹性、弹塑性动力时程分析，对三水准地震作用下结构构件进行了分析。根据计算结果，采取相应抗震构造措施，使整体结构设计达到了抗震设防要求。

超限高层； 竖向不规则结构； 时程分析

1 工程概况

本工程建筑结构采用钢筋混凝土框架-核心筒结构。主楼平面呈橄榄形，平面尺寸约80.2 m×34.5 m，主楼高度为199.80 m，地上47层，地下5层； 17层、33层为避难层。在主楼中部利用建筑电梯井道及楼梯间布置剪力墙形成核心筒，在筒体周边设置框架柱。结构体系为钢筋混凝土框架-核心筒结构(部分框架为型钢混凝土柱)。抗震设防烈度为7度；抗震设防类别为丙类；主楼框架抗震等级为一级，剪力墙抗震等级为一级,地下车库部分框架抗震等级为三级。楼板采用现浇钢筋混凝土梁板结构体系；主楼采用钢筋混凝土筏板基础，以中风化泥岩为持力层。

2 基于性能的设计及结构超限情况

2.1 抗震设计

抗震设计采用基于性能的设计方法[1]，其性能水准为：小震下，结构在地震后完好，无损伤，一般不需要修理即可继续使用；中震下，结构在地震后的薄弱部位和重要部位的构件轻微损坏，出现轻微裂缝，其他部位有部分选定的具有延性的构件发生中等损坏，出现明显的裂缝，进入屈服阶段，需要修理并采取一些安全措施才可以继续使用；大震下，结构发生中等程度的破坏，多数构件轻微损坏，部分构件中等损坏，进入屈服阶段，有明显的裂缝，经过修理和适当的加固后才可以继续使用。

2.2 结构超限情况

根据JGJ 3-2002《高层建筑混凝土结构技术规程》和建质[2006]220号《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，本工程超限情况如下：

(1)高度超限。本工程房屋的高度为199.90 m，超过JGJ 3-2002《高层建筑混凝土结构技术规程》B级高度的抗震设防烈度7度框架-核心筒结构的最大适用高度180 m。

(2)结构扭转不规则。裙楼部分楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移大于该楼层平均值的1.2倍，但不大于1.4倍。

2.3 抗震不利情况

本工程结构体系存在的其他抗震不利之处：

(1)整个结构体型呈橄榄状，X、Y向刚度差异较大，其中标准层长宽比为X/Y=2.38;筒体长宽比为X/Y=3.38；设计时利用17层避难层作为结构加强层，在Y向设置V字斜撑，提高Y向的抗侧刚度。

(2)建筑物两端由于立面造型的要求，在结构两端设置弧形剪力墙，竖向不连续；角部端柱每隔三层与楼层拉结。

(3)地下室楼板大部分为螺旋式斜坡板，使结构在地下空间楼板不连续，土侧水平力在结构中传力不直接，核心筒的两侧楼板形成错层。

3 结构分析计算

本工程结构在小震和中震下计算使用中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部编制的空间有限元分析设计软件SATWE(2006年9月版)和美国CSI公司的建筑结构三维分析与设计程序ETABS程序，并以前者为主，后者验证。结构在大震下的弹塑性时程分析使用中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部编制的EPDA程序计算，选取一条人工波(安全性评价提供)和二条天然波(EL Centro；TH2TG040地震波)进行弹性和弹塑性时程分析计算。

由于EPDA软件无法考虑楼板应力, 对平面内局部开设大洞口，在ETABS程序中用弹性楼板单元模拟实际情况；偏于安全地计算罕遇地震作用下的楼板应力。在ETABS分析中,考虑恒载+活载+地震作用,得出楼板在弹性小震、中震和大震作用下的应力图, 查出最不利的部位及其应力值进行分析，得出薄弱处楼板在罕遇地震作用下不屈服的性能指标。

3.1 小震计算结果(振型分解反应普法)

(1)最大层间位移角见表1。

(2) 周期(取前3个振型)

周期比见表2。

3.2 小震下弹性时程分析结果

地震加速度时程曲线的最大值为35 cm/s2，结构底部剪力见表3，最大楼层剪力曲线见图1，位移曲线见图2，最大层间位移角曲线见图3。

表1 最大层间位移角

表2 周期比

表3 结构底部剪力

图1 最大楼层剪力曲线

图2 最大楼层位移曲线

图3 最大层间位移角曲线

3.3 中震作用下的结构反应

按中震不屈服计算，地震影响系数为0.24。

通过Satwe中震不屈服计算，大部分连梁已经超筋，但结构的竖向构件均未出现超筋。底部剪力墙和柱的最大层间位移角为1/462，保持了一定的抗侧移刚度。中震下连梁起到了耗能的作用，剪力墙的损伤很少，剪力墙和框架柱均未出现超筋(从计算结构的超筋信息中可知)，满足竖向构件中震不屈服的要求。

3.4 大震下的弹塑性时程分析结果

地震加速度时程曲线的最大值为220 cm/s2，结构的层间位移角见表4。

表4 结构层间位移角

在罕遇地震作用下结构的层间位移角均小于1/100。由于37层高变小引起刚度突变，有害位移角突然增大，形成新的薄弱部位，但层间位移角仍然不大于1/100。底部楼层层间位移角小于1/300。剪力墙的下部、避难层、顶层出现受拉裂缝，在设计时，将适当加强墙体的配筋率，避免在罕遇地震下产生过大的变形，控制层间位移角。有个别剪力墙底部几层出现有受压裂缝，混凝土开始进入塑性阶段。

3.5 楼板应力分析

楼板应力见图4。

通过楼板应力结果分析可知：本结构的楼板在地震作用下，虽然有部分损伤，但范围很小，而且仅发生在整体刚度很好的中筒角部。当配置一定的钢筋后，此楼板基本上能达到处于弹性反应状态。对地下室坡道板及裙房部分楼板，根据计算结果在设计时加强拉应力较大部位的楼板配筋。

从计算结果分析可以看出:小震作用下承载力和变形满足弹性设计的要求(部分剪力墙的连梁除外)；在中震下结构底部加强区的竖向构件和薄弱层构件满足不屈服要求；在大震下，结构在底部加强区的层间位移角控制在1/100以下，底部剪力墙不出现剪切等脆性破坏。本工程结构承载力和层间位移将满足要求，达到抗震性能设计目标。

4 主要抗震加强措施

为增加结构的刚度和延性，减小柱截面尺寸和改善柱的轴压比，底部框架柱采用型钢混凝土柱。结构设计时充分考虑型钢混凝土柱与混凝土梁节点连接构造，绘制了详细节点大样图，保证实际施工可操作性。结构计算中严格控制各项指标，满足规范要求；控制结构底部外围柱的轴压比不大于0.60，剪力墙的轴压比不大于0.4；采用比一级抗震等级更严格的措施，控制在罕遇地震作用下的层间位移角小于1/400；底部加强区的剪力墙，按中震不屈服下的地震力进行反应谱分析，核算其相应的承载力；在罕遇地震作用下控制结构底部不出现零应力和拉应力区。

(a) 负一层楼板应力图(小震)

(b) 负一层楼板应力图(中震)

(c) 负一层楼板应力图(大震)

(d) 一层楼板应力图(小震)

(e) 一层楼板应力图(中震)

(f) 一层楼板应力图(大震)

结构计算时考虑P-Δ效应；按《混凝土结构设计规范》7.3.11-3计算柱的计算长度；对于加强层相邻层上、下层的框架柱和核心筒的剪力墙及梁、板做加强处理；柱箍筋全高加密，对部分超筋和剪跨比不大于2的连梁配置交叉暗撑，楼板加厚、双层双向配筋配筋率不小于0.30 %。

地下室坡道为螺旋式斜坡板，地下室周边的土压力不能通过楼板相互平衡。采用ETABS程序补充计算，将土压力作为水平力输入作用在地下室外墙上，按弹性楼板计算以考虑楼板刚度对水平力分配的影响；同时核心筒按照规范中错层墙的要求加强构造。

弧形剪力墙端部设置 “X”型支撑，这两榀支撑对结构的抗侧和抗扭刚度均有很大贡献。在结构设计和计算中，在支撑与楼层梁、墙相交处保持楼层梁、墙贯通，将其与梁相连节点设为铰接。使支撑的受力明确，减少楼层梁附加弯距的干扰。计算表明在地震作用下，支撑有效地分担楼层竖向荷载，提高了端部抗侧抗扭刚度。

5 结束语

超限高层建筑在结构设计时应采取合理的结构布置形式，建立符合结构实际受力状态的力学模型，进行结构分析计算，对结构的薄弱处采取必要的和有效的加强措施。对结构整体应采取比规范、规程的规定更严、更高的要求, 提高结构的延性，从而减小超限情况带来的不利影响，使结构具有良好的抗震性能，结构的计算结果能够满足相关规范和规程要求的。

[1] 徐培福. 复杂高层建筑结构设计[M ]. 北京:中国建筑工业出版社, 2005.

[2] 徐培福,戴国莹. 超限高层建筑结构基于性能抗震设计的研究[J]. 土木工程学报, 2005, 38 (1) .

[3] 马宏旺,吕西林. 建筑结构基于性能抗震设计的几个问题[J]. 同济大学学报, 2002, 30 (12).

[4] JGJ 3-2002 高层建筑混凝土结构技术规程[S]. 北京:中国建筑工业出版社, 2002.

[5] NEHRP Recommended Provisions For Seismic Regulations ForNew BuildingsAnd Other Structures & Commentary[R]. FEMA368 /FEMA369.

[定稿日期]2017-11-24

陈可(1970～)，女，硕士，高级工程师，从事建筑结构设计工作。

TU973

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