某超限办公楼抗震性能化设计

吴 磊

（北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037）

1 工程概况

江西赣江新区鸿信大厦办公楼位于赣江新区。办公楼塔楼地下2层、地上32层，首层为10.2m通高大堂，在12层和24层设置避难层，标准层层高为4.2m，屋面结构高度为137.35m，塔楼为框架核心筒结构。裙房为6层开放式办公空间，屋面结构高度26.95m，与塔楼相连。该工程总建筑面积9.8万m2，其中地上建筑面积5.9万m2。基本风压为0.45kN/m2。

2 结构设计标准及抗震设防有关参数

2.1 结构设计标准

该项目结构设计标准如表1所示。

表1 结构设计标准

2.2 抗震设防有关参数

根据地勘报告及《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）（以下简称《抗规》），选择与地震相关的计算分析参数，参数汇总如表2所示[1]。规范提供的地面设计动参数如表3所示。

表2 抗震设防有关参数

表3 规范提供的地面设计动参数

2.3 针对超限采取的技术措施

针对偏心布置超限（偏心率X向0.2214，Y向0.4394）导致的平面不规则，采取如下措施：（1）通过竖向构件的调整布置，减小整体结构质心、刚心的偏离；（2）调整结构的抗侧刚度，使底部楼层的最大扭转位移比为1.36，6层以上塔楼的最大扭转位移比＜1.20；（3）核心筒内的楼板厚度加厚至150mm，楼板d10@150双层双向配筋；（4）地面7层及以下周边框架柱抗震等级提高一级，箍筋全高加密，裙房顶及以上2层塔楼周边框架柱抗震等级提高一级或两级，箍筋全高加密。

针对局部收进导致的竖向不规则（裙房顶高＞塔楼20%且收进＞25%），采取如下措施：（1）加大首层薄弱层竖向构件的截面尺寸，使该工程侧向刚度尽可能平稳过渡，减少刚度突变；（2）裙房屋面板厚度加厚至150mm，楼板d10@150双层双向配筋；（3）提高底部剪力墙竖向分布筋配筋率（增加10%以上），对剪力墙进行大震不屈服设计（满足最小抗剪截面要求）。

针对局部不规则（有穿层柱、夹层），采取如下措施：（1）取穿层柱计算长度为13.3m，抗震等级提高一级来进行承载力复核，对其进行大震不屈服设计（抗弯抗剪不屈服）；（2）提高夹层处短柱的体积配箍率，短柱箍筋全高加密。

3 超限设计

该工程建筑为A级高度，高度未超限，但有平面不规则类型1项（扭转位移比与偏心率不重复计项）、竖向不规则1项、局部不规则1项，属于超限高层建筑。依据《超限高层建筑工程抗震设防管理规定》（建设部令第111号），应进行超限高层建筑工程抗震设防专项审查，对该工程进行性能化设计。该工程的整体性能目标设定为C。

3.1 多遇地震作用分析

采用YJK建立空间结构模型，首层结构布置如图1所示。

图1 首层结构平面布置

通过对比分析主要指标发现，PKPM和YJK计算结果基本接近，未发现异常情况，计算结果具有较高的可信度。比较分析两个软件的计算结果，并结合相关规范的抗震设计要求可得：

（1）周期比均＜0.90，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）（以下简称《高规》）中规定的周期比限值要求，两方向结构刚度和振动特性基本接近[2]。

（2）前13阶振型的质量参与系数均＞90%，满足《抗规》中规定的要求。

（3）底部局部楼层剪重比（X向0.735%，Y向0.652%），两个方向地震力均小于规范要求，设计时地震内力需按《抗规》5.2.5条及《高规》4.3.12条调整。

（4）位移角由风荷载作用控制，层间位移角最大值（X方向为1/1932，Y方向为1/2325），满足《高规》中规定的层间位移角限值1/800的要求。

（5）剪力墙最大轴压比为0.48，满足《高规》中的要求。

计算结果表明，结构周期比及位移等各项指标符合规范要求，结构在地震及风荷载作用下能保持较好抗侧能力，结构平面布置合理，满足小震弹性的抗震性能要求。

3.2 小震弹性动力时程分析

根据《抗规》5.1.2条要求，需采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算。根据《高规》中对地震波选取的相关规定（频谱特性、有效峰值、持续时间），采用YJK程序选取了符合要求的7组时程波（其中天然波5条、人工波2条）进行多遇地震下的弹性动力时程分析。在前两个周期点上，选取的7组时程波的平均地震影响系数与规范反应谱地震影响系数相差不到10%，满足《抗规》规定。

通过时程分析计算结果可以看出：（1）时程法计算出的各底部剪力值介于YJK软件振型分解反应谱法计算结果的0.86～1.28（相差≤35%）；时程法计算出的平均底部剪力值介于YJK软件振型分解反应谱法的0.95～1.04（相差≤于20%），选取的地震波合理有效。（2）时程分析的位移曲线平滑无突变、层间位移角曲线4F（对应计算层数7F）局部增大，层剪力变化均匀，与YJK小震结果较为接近。（3）29层及以上层时程工况楼层剪力曲线不在反应谱法的楼层剪力曲线范围内（平均地震剪力是振型分解反应谱法的1.05～1.14倍），需把高区的反应谱法计算的地震剪力放大。

时程法与规范反应谱法计算结果基本吻合，在施工图阶段运用振型分解反应谱法进行构件验算时，将高楼层（20层以上）的地震剪力放大1.1倍，通过对时程工况的包络设计，确保结构安全。

3.3 设防地震作用分析

在中震作用下，采用PKPM-SATWE程序进行弹性反应谱分析，根据抗震性能目标，对底部加强区及裙房上下层竖向构件的抗弯、抗剪性能分别做中震不屈服和中震弹性设计。在计算中将结构阻尼比设为0.06，连梁刚度折减系数调整为0.5，不考虑风荷载作用参与地震组合。材料强度调整为各相应标准值。主要设计参数如表4所示，计算结果如表5所示。

在设防地震作用下，最大层间位移角（X向1/606，Y向1/367）满足中震作用下最大位移角小于弹性位移角限值要求。

表4 设防地震计算主要设计参数

表5 设防地震计算结果

顶部楼层的竖向构件均未出现拉应力，通过对比剪力墙及框架柱的配筋计算结果，中震下的纵筋均不大于小震下的计算结果，抗剪利用率储备普遍较高，按照小震配筋满足抗弯中震不屈服、抗剪中震弹性的性能目标。

3.4 罕遇地震作用分析

采用非线性分析软件（PKPM-PUSH&EPDA）对结构进行罕遇地震作用下的弹塑性静力推覆分析，得到结构在大震作用下的反应[3]。根据规范要求，荷载加载类型为倒三角形，竖向荷载作用方式为杆端加载，用球面弧长法进行走步控制，考虑二阶效应。

分别进行X向抗倒塌验算、Y向抗倒塌验算以及82度方向抗倒塌验算可得，该工程在3个荷载加载方向的性能点最大层间位移角分别为1/292、1/341、1/217，均＜1/200，满足罕遇地震作用下的性能目标要求。

4 设计总结

（1）该工程结构体系较为合理，采取的抗震技术措施较为有效，结构具有较好的抗侧能力，各项指标满足规范的要求。（2）采用的PKPM-SATWE和YJK两个程序的计算结果及变化规律基本一致，各项指标均满足规范要求。（3）时程法计算出的基底剪力与反应谱法较接近，变化规律基本一致，符合设计要求。高楼层结构地震作用效应需放大取时程法计算结果的平均值进行包络设计。（4）设防地震作用分析结果表明，层间位移角小于限值要求，竖向构件配筋有较大安全储备，满足中震可修的抗震设防目标。（5）罕遇地震作用分析结果表明，层间位移角小于规范规定的限值，整体承载力达到极限后可维持稳定，满足大震不倒的抗震设防目标。

5 结束语

该工程为超限建筑，采用多道防线的抗震设防概念和关键构件基于性能设计的理念，通过对各种工况下的计算分析论证了结构体系安全合理，达到了预定的抗震性能目标。