超限高层建筑结构抗震超限设计与探究

【摘要】现代化工程不断发展，带给建筑领域新的发展契机。随着高层、超高层建筑建设，超限高层建筑也出现在人们视野中。但是由于超限高层结构有超限情况，需要科学对其结构进行设计，才能保证建筑结构稳定。本文针对超限高层建筑结构进行分析，对结构的抗震性加以研究，为后续超限高层工程开展提供参考。

【关键词】超限高层建筑;结构抗震;超限设计   【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.36.043

国家土地资源用地紧张，使得超限高层建筑诞生。超限高层结构受到行业需求，但是其抗震性能却是不可忽略的重要内容。需要采取有效措施，加强建筑结构的抗震能力，保障建筑结构设计的合理性。满足超限设计的需求，能够在地震情况下，保证建筑结构安全，达到预期的性能目标。

1、前言

超限高层指的是当前建筑领域建筑类型之一，超限高层工程超出国家现行规定，适合应用于不规则的高层建筑工程。针对此类建筑结构设计，国家规定了技术标准外，还额外提出特殊要求。超限高层应保证超限程度得到科学控制，并针对结构对抗震性能进行计算，确保抗震性能符合施工需求。地基基础等都需要通过抗震测试，需要做好抗震试验要求。

概念设计指的是相对于数值设计反映出的结构整体情况，可以将其理解为建筑的宏观设计。超限高层建筑需要合理布设结构，应确保建筑结构尽可能对称，满足建筑的竖向荷载指标，结合刚度、强度等因素进行综合考虑。但是结构设计过程中，保证结构完全均匀存在较大的困难。对此，还需要结合工程实际，对关键构件进行合理设置，改善地震时结构受力状态，保证建筑超限设计的合理性。

2、超限高层建筑结构超限设计

2.1工程概况

为了更好的阐述超限高层建筑，根据某工程的建筑进行分析。该工程拥有42层地上建筑结构，高度在120m;含地下停车场一层，整体设计按照年限50年进行设计，抗震等级为7级。基本风压按照0-70kPa计算，结构布置如图1所示，采用剪力墙结构。

该部分为剪力墙结构，属于超限高层中的B级结构标准，建筑结构抗侧力体系见图2。

2.2结构超限设计目标

根据国家建筑抗震设计规定，以及高层、超限高层建筑抗震技术要点，工程结构超限情况如下。为了保证建筑结构的稳定性，考虑到扭转位移等情况，设置为扭转不规则;平面凸出比例按照 ，为凹凸不规则。奇数层需要开洞，会导致出现布局贯穿剪力墙的情况，保持局部不规则。各个关键部位的性能指标如表1所示。

2.3结构计算与分析

（1）振型分解反应谱

使用YJK和PKPM软件进行分析，对建筑弹性模型进行计算，根据小震规范反应谱进行分析，考虑到地震作用影响，需要综合性对结构进行计算。计算结果中能够得知，结构中第一扭转周期与平动周期相比较，参数结果小于0·90，验证了结构良好的抗扭性能;地震作用下最大层间的位移角，计算结果小于1/1000，满足高度规定要求;楼层侧刚度能够得达到90%的比值;经过两种软件计算的结果对比，能够发现结果相差并不大，许多结果参数相同。可以证明结构体系选择合理，能够保持良好的抗侧与抗扭能力。

（2）弹性时程

采用YJK对地震时结构进行弹性计算，选择天然与人工波进行比对分析。根据建立反应参数值，建立分析表，如表2所示。根据选取的三组天然波和两组人工波进行计算，能够获得结构基地剪力情况。时程分析得出的平均值与CQC计算法结果相比较，均大于其结果，可以证明满足抗震能力需求。

时程计算结构与反应谱分析结果相同，分析结果经过CQC计算法进行放大计算，验证结构中各个楼层位移曲线形状相似，结构侧向刚度均匀，具体如图三所示。

（3）重要构件中震弹性

使用软件PKPM对结构中的关键构件与承载性能进行验算，中震弹性计算下，能够对建筑结构的基底剪力情况做出科学计算。设定的目标应是保证抗剪弹性与抗弯不屈服，经过验算后的结果与性能目标符合，证明符合设计需求;针对于罕遇的地震动力弹塑性，根据建筑抗震设计规范。建筑遭遇高于设计抗震等级时，不倒塌或者遭遇严重破坏，需要对建筑的罕遇地震动力弹塑性进行分析。根据计算结果分析最大弹塑性层间位移角参数是否满足规范要求，应保证建筑结构做到大震不倒的抗震设计要求。剪力墙处于轻微轻度破坏损伤，框架梁中度中等破坏损伤;大部分连梁受损，但是耗能作用明显。表明在当遇到遭受罕遇地震时，建筑建筑物结构尽管虽然受到遭受影响，但是建筑结构依旧发挥出较好的抗震性能，能够抵御地震带来的影响。

2.4结构抗震加强措施

针对于超限高层结构地震抗震能力测试，想要提高结构的抗震能力。根据上述的计算结果，需要对结构体系布置情况加以完善。结构在商业裙房位置应对其涉及到的范围进行考虑，同时考虑到地下停车库。框支柱与梁涉及结构，采用型钢提高抗震能力。型钢能够减小截面，有效提高承载力抗震延性。楼板厚度按照100、110、150、180进行选择，并对裙房顶板采取加厚处理。针对于楼板应力，为了保证楼板有足够的应力，应选择框梁做有限元分析，保证结构优化后的合理性。针对于结构抗震，经过专家分析和计算后，应采取如下的措施：加强底部竖向结构承载能力，保证截面不屈服、竖向结构构件满足剪截面需求;抗震等级全部采取一级抗震等级，中震则按照风荷载与拉应力的竖向结构计算。中震时双向水平地震作用根据风荷载与竖向结构截面轴向力计算，保证抗拉强度不会超出200MPa的标准值。按照时程分析结果对裙房以上的楼层进行思考，对裙房以上的楼层结构进行调整，并保证结构符合抗震剪力需求。剪重比不够时，放大后的楼层层间位移角应满足抗震要求。穿层剪力墙需要配合钢筋安装情况，对楼层整體以及复式楼层一起计算。复式楼层基底剪力不得小于模型模拟参数，并对实际高度进行复核。

经过一系列验证后，能够证明超限高层建筑设计过程中，会遇到不同的地震情况，还会受到风荷载影响。需要基于YJK和ETABS软件对建筑的抗震能力参数进行计算。确保建筑处于弹性阶段，承载力与变形能力均能满足规范的实际要求。设置防震过程中，需要结合时程、反应谱分析结果，确保分析结果的规律性。根据工程实际情况做出判断，保证预定抗震性能符合建筑超限设计要求。剪力墙应满足不屈服的要求，并保证建筑结构底部框架柱与其他框架柱均能不屈服，提高预定抗震性能。遭遇罕遇地震时，应保证结构弹塑性位移与层间位移满足要求，保证抗侧力构件不会出现较严重的破坏情况。

结论：

超限高层建筑设计过程中，科学选择结构体系布置方法，计算相关性能的参数，并对其进行分析。确保能够建筑结构能够在地震中保障结构安全，对关键构件性能加以强化，提高建筑结构的抗震性能，满足超限设计的实际需求。确保建筑完工后，建筑结构整体性能能够具备良好的超限抗震性能，保障建筑安全。

参考文献：

[1]黄明波.东方国际商务中心复杂连体超限高层结构抗震设计[J].建筑结构，2021，51（15）：62-67.

[2]吴炅，刘宁，常为华，宫贞超.福州长乐区三馆三中心超限高层结构抗震设计分析[J].铁道标准设计，2021，65（07）：165-171.

作者简介：

仇进冬（1983-），男，汉族，江苏仪征，本科，主要从事建筑结构设计工作。