某超限高层住宅抗震设计

王艳芳, 刘 锋, 王 勇

(成都基准方中建筑设计有限公司, 四川成都 610017)

1 工程概况

某超限高层住宅位于成都市锦江区一环路以东，东大街以南。场地较为平整，场地内无其他保留建筑，周边道路基本成型。地上建筑功能为住宅，地下室层数3层，主要为车库及配套设施。该超高层住宅建筑为框架-核心筒结构，房屋高度145.05 m，标准层平面图如图1所示。该建筑高宽比为5.04，核心筒高宽比为10.6，外筒剪力墙截面由800 mm渐变到350 mm，-1层板面～21 层板面框架柱采用钢管混凝土叠合柱，其余层为钢筋混凝土柱；叠合柱截面由1 300 mm×1 300 mm 渐变到1 000 mm×1 000 mm，混凝土强度等级由C60 渐变为C40，外筒、柱截面收进与混凝土强度等级变化错开布置。

该超限高层住宅的安全等级为二级，抗震等级为一级，设计使用年限为50 a，设防类别为标准设防类，设防烈度为7度(0.1g)，设计分组为3组，场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.45 s，基本风压为0.3 kN/m2，地面粗糙程度为C类。

2 超限程度及抗震性能目标

根据GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》[1]、JGJ 3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》(以下简称《高规》)[2]和建质[2015]67号《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》[3]有关规定，该超限高层住宅超过A 级高度限值130 m，属超A 级高度的超高层建筑。该结构平面规则，竖向规则，仅房屋高度超高。依据《高规》确定性能目标为D，对应的抗震性能设计目标如表1所示。

3 多遇地震及风荷载作用下结构计算分析

3.1 计算模型

多遇地震及风荷载作用下采用YJK和ETABS两种计算软件，建模时考虑的主要因素有:(1)考虑扭转耦联振动的影响，计算时采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法。(2)计算了双向水平地震作用下的扭转影响，并考虑单向地震时偶然偏心的影响。(3) 抗震计算时考虑的振型数使振型参与质量不小于总质量的90 %。

(a) 标准层建筑平面

(b) 标准层结构平面图1 标准层平面布置

表1 抗震性能设计目标

3.2 多遇地震和风荷载作用下计算结果对比分析

3.2.1 层间位移角

地震作用下建筑层间位移角变化曲线如图 2所示，从图中可以看出地震作用下楼层平均位移曲线平滑无突变，结构竖向刚度变化均匀，有利于抗震。

图2 层间位移角

3.2.2 抗剪承载力之比

根据《高规》第3.5.3 节要求，B 级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不应小于其相邻上一层受剪承载力的75 %。由图3 可见，该建筑不存在抗剪薄弱层。

3.2.3 楼层侧向刚度分析

层抗侧刚度比曲线如图4所示，根据GB 50011《建筑抗震设计规范》和《高规》，楼层刚度取为楼层剪力与层间位移角的比值，图中数据为本层侧向刚度与相邻上层侧向刚度的0.9 倍之比。从图4可知，楼层抗侧刚度比满足规范要求，结构没有侧向刚度突变。

图3 楼层抗剪承载力比曲线

图4 楼层侧向刚度比曲线

3.2.4 轴压比

框架柱和剪力墙轴压比统计情况如图5所示，《高规》第7.2.13 条规定：筒体的轴压比限值为0.5。由图可见，该建筑均满足要求，为了保证底部的延性，底部大部分筒体轴压比大部分均小于0.45，个别大于0.45小于0.5；框架柱轴压比限值为0.70(极短柱为0.65)，由图5可知，该建筑底部大部分框架柱轴压比不超过0.60，且均小于0.65。

(a) 剪力墙轴压比

(b) 框架柱轴压比

3.3 多遇地震作用下结构弹性时程分析

根据《高规》第5.1.13条规定，该建筑为超限高层结构，需要进行弹性动力时程补充分析。采用盈建科建筑结构计算软件，选取3条地震波(2条为天然波USER1(TH4TG045)和USER2(Chi-Chi, Taiwan-03_NO_2474)，1条为场地人工拟合波USER3(ArtWave-RH2TG055))，按7度(0.1g)、Ⅱ类场地进行多遇地震作用下弹性动力时程分析。

3条地震波影响系数曲线和规范所采用的影响系数曲线在基本周期上的对比结果如表2。可见，三组时程曲线的平均地震影响系数曲线与规范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，满足规范要求。

YJK反应谱法、弹性时程分析计算结果对比如表3所示，由分析结果可知：

(1)根据《高规》4.3.5条规定，该建筑所选地震波满足“弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力在振型分解反应谱法计算结果的±35 %范围内，多条时程曲线

表2 基本周期偏差对比

表3 YJK反应谱法、弹性时程分析计算结果对比

注：表中百分比为弹性时程基底剪力与反应谱基底剪力之比。

计算所得结构底部剪力的平均值在振型分解反应谱法计算结果的±20 %范围内”的要求。

(2)在反应谱法的层间剪力小于地震波区域，按照《高规》第4.3.5-4条：结构地震作用效应取时程法计算结果的包络值和振型分解反应谱法计算结果的较大值进行设计。该建筑绝大部分楼层反应谱层剪力大于时程分析结果，施工图设计时取时程分析法计算结果的包络值与振型分解反应谱法计算结果的较大值进行设计。

4 罕遇地震下结构等效弹性分析和弹塑性时程分析

4.1 罕遇地震作用下等效弹性计算

采用YJK 软件振型分解反应谱法进行大震等效弹性计算，结合《高规》中“不同抗震性能水准的结构构件承载力设计要求”的相关公式，进行结构构件性能计算分析，整体计算结果如表4所示。

表4 大震不屈服整体参数计算结果

计算结果表明:

(1)大震不屈服的基底剪力约为小震基底剪力的5.45 倍，剪力墙均能满足大震作用下抗剪截面要求。

(2)底部加强区剪力墙满足大震下抗剪不屈服。

(3)底部加强区范围框架柱的剪压比均小于规范限值，受剪截面满足规范要求。底部加强区框架柱体积配箍率计算值均小于规范构造要求，可满足大震抗剪不屈服的性能目标要求。

(4)非底部加强区框架柱的最小抗剪截面验算结果均满足规范要求，达到预设的抗震性能目标。

4.2 罕遇地震作用下弹塑性时程分析

4.2.1 模型建立

采用SAUSAGE进行罕遇地震动力弹塑性时程分析。混凝土采用弹塑性损伤模型，轴心抗压和轴心抗拉强度标准值、混凝土本构关系曲线按GB 50010-2010(2015版)《混凝土结构设计规范》附录C取值，混凝土的本构模型如图6所示。钢材及钢筋均采用带强化段的双折线模型，钢材的极限强度与屈服强度按GB 50010-2010(2015版)《混凝土结构设计规范》取值，钢材及钢筋的本构模型如图7所示。梁、柱及斜撑采用Timoshenko梁单元模拟，该单元计入剪切变形刚度，转角和位移各自独立插值。

图6 混凝土滞回曲线示意

图7 钢材及钢筋双折线随动硬化模型

计算模型仅考虑地上结构，SAUSAGE 与YJK两种软件计算得到的结构前3 阶自振周期及对应的振型基本相同，说明模型的合理性。

4.2.2 整体计算结果

大震弹塑性时程分析，选取3 条地震波(2 条为天然波USER1(TH4TG045)和USER2(Chi-Chi,Taiwan-03_NO_2474)，1 条为场地人工拟合波USER3(ArtWave-RH2TG055))。

每组地震波作用下结构最大层间位移角如表5所示，X方向的层间位移角最大值为1/293，结构在Y方向的层间位移角最大值为1/252。层间位移角均满足抗震性能目标1/100 的限值要求。

每组地震波作用下结构的基底剪力最大值如表6所示，X方向的最大地基剪力为53 036 kN，结构在Y方向的最大地基剪力为51 655 kN,剪力墙均能满足大震下抗剪截面要求，底部加强区剪力墙水平筋在合理范围，满足在大震下抗剪不屈服。

表5 每组地震波对应的结构层间位移角最大值

表6 每组地震波对应的基底剪力最大值

4.2.3 构件抗震性能分析结果

构件的抗震性能分析主要选取地震反应最大的地震波ArtWave-RH2TG055 进行分析。

4.2.3.1 剪力墙

图8、图9 给出了剪力墙受压损伤分布。从图中可以看出，由于设置合理的剪力墙开洞形成连梁，连梁在大震下损伤耗能效果明显，从而有效保护承重墙肢，绝大部分剪力墙肢没有损伤，只有底部局部剪力墙在角部边缘构件处出现受压损伤，但损伤因子最大值小于0.5，损伤宽度小于50 %。综合考虑，绝大部分剪力墙为轻微损坏或无损坏，满足预设的性能目标。

图8 一层剪力墙损伤分布情况

4.2.3.2 框架柱

图10给出了框架柱混凝土受压损伤分布。从图中可以看出，混凝土受压损伤因子均小于0.1，钢筋未出现塑性应变，为轻微损坏或无损坏，整体结构仍可保证抗震承载力，框架在大震作用下的承载力仍有一定富余，满足二道抗震防线的要求。

图9 剪力墙整体损伤

图10 叠合柱混凝土受压损伤

4.2.3.3 框架梁及耗能构件

图11给出了框架梁混凝土受压损伤分布。可以看出，少部分框架梁混凝土损伤因子达到0.2～0.3，钢筋塑性变均小于0.001；大部分框架梁表现为轻微损坏或轻度损坏，少量框架梁出现中度损坏。考虑到框架梁可进行塑性内力重分布，整体结构仍可保证抗震承载力。图9可以看出连梁有较明显损伤，起到充分耗能的作用。

(a)分层统计

(b)全楼统计

5 抗震加强措施

5.1 核心筒的加强措施

核心筒是本结构的主要抗侧力构件，因此必须采取措施提高核心筒墙体的强度、刚度及延性，使其抗侧刚度和整体结构延性更好地匹配。该建筑针对核心筒的具体措施有：

(1)控制底部加强部位核心筒外圈剪力墙在重力荷载代表值作用下的轴压比大部分小于0.45，均小于0.50(规范限值为0.50)，以保证其延性。

(2)剪力墙竖向和水平分布筋除满足规范规定的配筋率要求外，还满足以下要求：底部加强部位核心筒外圈剪力墙的水平分布筋按小震弹性、中震弹性、大震不屈服进行包络设计；边缘构件纵筋、竖向分布筋按小震弹性、中震不屈服进行包络设计。根据大震弹塑性计算结果对底部加强部位外筒剪力墙的水平分布筋配筋率进行加强：1层、2层板面水平分布筋配筋率提高至0.6 %。

(3)核心筒角部墙体按照柱子配筋，并且墙体厚度通高保持一致。

(4)核心筒角部开洞处的连梁按照小震作用下连梁刚度不折减进行计算。

5.2 外框架的加强措施

作为二道防线的外框架应保证具有一定的承载能力和延性，针对框架柱的具体措施有：

(1)控制叠合柱在考虑地震作用组合轴压力作用下的轴压比大部分不超过0.6；混凝土柱轴压比大部分不超过0.7。

(2)框架承担的总剪力依据0.2V0和1.5Vfmax的较小值进行调整，依据调整后的框架柱剪力进行施工图设计。

(3)叠合柱与普通混凝土柱过渡段设置2 层芯柱。

6 结束语

通过对该超限住宅建筑进行多遇地震下的反应谱分析、弹性时程分析，罕遇地震下的等效弹性分析、弹塑性时程分析，对结构的整体性能和构件性能做了充分的评估，设计时采取包络设计。综合各种分析结果，该超限高层建筑能够满足性能目标D的要求。