超限高层结构设计流程的探讨

程 伟

(裕景兴业(厦门)有限公司，福建 厦门 361001)

1 工程概况

本项目建筑地下4层，地上为36层酒店+办公，主体结构高度(计算至主屋面)为147.29 m。结构体系为框架剪力墙，建筑结构安全等级为二级，建筑抗震设防类别为丙类，所在地区的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度0.15 g，场地类别：二类；设计地震分组：第二组；特征周期Tg=0.40 sec(规范值)，根据安评报告所提反应谱特征周期Tg=0.45 sec。建筑类别调整后用于结构抗震验算及抗震等级的烈度7度；按场地调整后用于确定抗震构造措施的烈度7度，建筑结构的阻尼比取5%。

2 结构抗震超限情况及性能设计目标

2.1 超限情况的认定

依据建设部《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)(以下简称《技术要求》)，经初步判断本建筑物存在主要超限情况见表1。

结构高度，本工程塔楼屋面高度为147.29m，根据表1，判定为高度超限。

表1 主要超限情况

2.2 性能设计目标

本工程性能设计目标为《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[1](以下简称《高规》)3.1.1条中的C等级，以宏观损坏程度来判别，即：多遇地震下完好无损坏(不需修理即可继续使用)；设防烈度地震下轻度损坏(一般修理后可继续使用)；预估的罕遇地震下重度损坏(修复或者加固后可继续使用)。

3 针对超限情况的抗震措施

1)依据地震安全性评价管理条例，本工程应当进行安全性评价。根据《1#楼工程场地地震安全性评价》所提供的地震动参数及反应谱函数进行计算并结合规范反应谱计算结果，取结果大值(安评报告结果为大值)进行分析设计。

2)采用不同力学模型的分析程序进行整体结构内力、位移的比对计算分析，即SATWE及PMSAP，并补充MIDAS的位移计算结果。

3)采用弹性时程分析方进行多遇地震的补充计算。

4)采用Push-Over静力弹塑性分析补充分析结构在罕遇地震下的变形反应。

4 结构分析的主要结果汇总及比较

4.1 主要计算参数

4.1.1 抗震设计

1) 场地土类型为Ⅱ类，抗震设防烈度为7度。

2)结构的阻尼比在多遇地震作用下的弹性分析时取0.05，水平地震影响系数最大值为0.12(安评为0.131)；中震地震影响系数最大值为0.34(安评为0.403)，罕遇地震(大震)影响系数最大值为0.72(安评为0.745)。小震作用按安评地震动参数与规范参数取大值进行计算(安评为大值)，同时考虑双向地震作用和偶然偏心的不利影响。中震和大震均采取规范参数进行分析。

3)分别采用考虑扭转耦联的振型分解反应谱法及动力时程分析法计算结构响应，并选用较多的振型以充分考虑高阶振型的影响，各振型贡献按CQC组合。按模拟施工加荷方式3计算。选取振型数目为30个，有效质量系数均超过95%。

4)采用弹性时程分析法进行了多遇地震下的补充计算。计算共选取七条弹性时程波。

5)采用Push-Over弹塑性静力分析法计算了结构在罕遇地震下的变形反应。

4.1.2 抗风设计

本建筑结构属于高层建筑，程序计算结构主楼体型系数取μs=1.40；风振系数根据荷载规范计算；计算位移指标时主楼基本风压取0.80 kN/m2，计算构件强度指标时按基本风压的1.1倍取为0.88 kN/m2，地面粗糙度类别为B类。

4.2 塔楼主要计算结果及分析

多遇地震及风荷载作用下计算结果见表2～5，从表2～5可知，计算结果均满足要求。

SATWE与PMSAP楼层抗剪承载力比值差异主要原因：SATWE中定义了16层的墙柱超配系数为1.50，PMSAP模块中无此参数定义，考虑到施工图阶段实配采用1.5的超配系数，SATWE数值与实际配筋较为吻合，故此处采用SATWE数值较合理。表格内所显示楼层均为建筑楼层。

对比SATWE、PMSAP和MIDAS三种软件的多遇地震作用计算结果得知基本吻合，指标基本满足规范要求(结构位移由水平地震与风共同控制)。由于三种计算程序在模型假定上的不同，地震工况与风荷载工况下位移有5%左右的差异，认为此结果在可以接受的合理范围内，且三种软件计算结果均符合要求。

表2 主楼结构分析主要结果对比(小震作用、取用安评地震波曲线)

表3 主楼SATWE分析结构位移主要结果(小震作用、取用安评地震波曲线)

表4 主楼PMSAP分析结构位移主要结果(小震作用、取用安评地震波曲线)

表5 主楼MIDAS分析结构位移主要结果(小震作用、取用安评地震波曲线)

4.3 补充计算

采用七条地震波(五条天然波两条人工波)进行弹性时程分析作为多遇地震下的补充计算，结果显示：①每条时程曲线计算所得的底部剪力>振型分解反应谱法的结果的65%;②多条时程曲线计算所得的底部剪力平均值>振型分解反应谱法的结果的80%。

4.4 大震不屈服位移可控分析

Push-Over计算结果体现X向最不利层间位移角为1/142，满足规范要求1/100。

Push-Over计算结果体现Y向最不利层间位移角为1/114，满足规范要求1/100。

5 抗震性能化设计

本工程塔楼屋面高度为147.29 m，超A级高度限值22.74%，超B级高度限值5.21%，结构设计时考虑“抗震性能设计”，性能设计目标控制为C级，具体控制目标见表6。

根据计算对比，小震与中震工况下，安评反应谱结果>规范反应谱的计算结果。除罕遇地震外，均采用安评反应谱对结构进行计算分析。

6 结构分析的主要结果汇总及比较

本项目属于超限高层建筑。由于在结构设计时采取了较为合理的结构布置，使得结构具有良好的抗震性能，计算结果满足现行规范和规程的要求。

SATWE、PMSAP与MIDAS(MIDAS仅补充位移计算)三个程序的计算结果基本一致，只是由于在单元模型上处理上的差异，使得计算结果有一些差异，但均在工程可接受的范围内。

表6 抗震性能设计要求

7 结束语

本项目为超B级高层建筑，根据抗震原则及建筑特点，首先对整体结构体系布置进行优化，使之利于结构抗震；在抗震设计中除保证结构在小震下完全处于弹性状态外，还补充了主要构件在中震下表现的性能要求，并进行弹塑形的计算，结果表明多项指标均处于控制范围内。总的来说，本项目满足“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设防目标。

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