福建某超限高层结构设计

武娜，杨博，聂婷

（中国建筑科学研究院有限公司，北京100013）

1 工程概况

该项目位于福建省，总建筑面积8.363×104m2。项目主要使用功能为酒店、办公、车库等。结构主屋面高度140.8 m，地上34 层，地下2 层。本工程结构设计使用年限为50 年，结构的安全等级为二级。该工程场地的地震基本烈度为7 度，设计抗震加速度为0.15g，设计地震分组为第二组，场地特征周期值为0.40 s，建筑场地类别为Ⅱ类。结构基本风压取50 年一遇的风压W0=0.80 kN/m2，结构承载力计算时按照基本风压的

1.1 倍采用。地面粗糙度类别为A 类。

2 结构设计

本工程根据结构布置等情况，结合地勘报告数据，塔楼采用桩基础，裙房采用筏板基础。地下室采用钢筋混凝土防水底板结合钢筋混凝土防水外墙的方案，底板采用平板式，底层楼板采用梁板式楼盖，楼板厚度为180mm。主体结构高度140.8m，地上34 层，结构类型为框架-核心筒结构。楼盖采用钢筋混凝土梁、板体系，其中，酒店标准层采用无梁空心楼板，楼板内填充多孔轻质材料。框架及剪力墙抗震等级为一级。

3 超限分析及相应措施

3.1 超限情况分析

本工程结构总高度为140.8 m，大于A 级最大适用高度。首层夹层和32 层夹层局部无楼板，开洞面积大于改层楼面面积的30%。

以上2 项超限。

3.2 超限措施

超限措施包括以下几项：

1）底部加强区及其上一楼层设置约束边缘构件，在轴压比大于0.3 的楼层设置约束边缘构件；

2）底部加强区剪力墙中震拉应力较大的墙肢及大震剪力较大的墙肢处设置型钢，以提高剪力墙的承载力及延性；

3）由于办公层部分次梁搭在筒体连梁上，连梁中设置型钢，连梁两侧墙体加设型钢。

4 性能化设计

本项目的性能优化设计包括以下内容：

1）小震作用下，结构满足弹性设计要求，根据构件抗震构造措施等级要求，采用荷载作用设计值、材料强度设计值和抗震承载力调整系数，进行小震阶段设计[1]。

2）中震作用下，剪力墙和框架柱进行中震弹性及中震不屈服设计，以满足性能化设计要求。

3）底部加强区墙体，进行中震作用下拉应力验算。部分墙肢在中震组合工况作用下出现拉应力，部分墙肢拉应力超过混凝土抗拉强度标准值，但未超2 倍混凝土抗拉强度标准值。对于拉应力超过混凝土抗拉强度标准值的墙肢设置型钢，为安全起见，拉应力全部由设置的型钢承担。经验算，到第9 层，在中震组合下主要墙肢拉应力已经很小，为了增加结构延性，将墙肢里的型钢延伸到最高的办公标准层16 层。

4）竖向构件中震设计。对于约束边缘构件（6 层及以下），按照中震弹性计算结果进行抗剪设计，按照中震不屈服结果进行抗弯设计，7 层及以上按照中震不屈服计算结果设计。

5 结构弹性计算分析

5.1 计算分析内容

首先，进行整体结构小震弹性静力分析（振型分解反应谱法），该过程中，采用2 套独立的程序（YJK 和ETABS）进行计算分析并对比其结果，确保整体结构的各项指标满足规范对本工程结构的要求；其次，整体结构采用YJK 程序进行小震弹性时程分析。

5.2 整体小震弹性分析

整体结构计算采用YJK、ETABS 2 种计算程序，结构构件复核采用YJK 计算结果。对比结果如表1~表5 所示。可以看出，2 种软件计算结果基本一致，结构的剪重比、最大层间位移角及位移比等整体指标均满足规范要求[2]。

表1 结构总质量对比t

表2 结构自振周期对比

表3 地震作用下最大位移比（刚性楼板假定）

表5 层间位移角对比

5.3 弹性时程分析结果

采用YJK 程序进行弹性时程分析，根据规范对时程分析地震波要求，选取3 条地震波（1 条人工波，2 条天然波），分别从X 向、Y 向进行输入。X 向、Y 向各3 条波中每一条的基底剪力均满足规范对地震波的要求（见表6）。由于部分楼层的地震波时程分析楼层剪力大于CQC（振型分析反应谱法）分析结果，在进行小震CQC 计算时，对相应楼层剪力按照时程分析包络值进行设计[3]。

表6 基底剪力及楼层层间位移角对比表

5.4 弹性计算结论

1）结构楼层质量分布均匀，扭转效应较小；

2）结构刚度分布合理，变化均匀；

3）结构Y 向剪重比在底部2 层不满足规范要求，按照规范进行调整；

4）结构整体抗侧刚度可以保证结构正常工作，满足风荷载及地震作用下的变形要求及风荷载作用下的舒适度要求，结构体系是可行的；

5）结构竖向构件轴压比满足规范要求，可保证地震作用下的构件延性；

6）框架承担的地震倾覆力矩大于10%，大部分楼层框架剪力占基底剪力的比重在15%以上，同时按0.2V0（对框架柱数量从下至上基本不变的结构，V0应取对应于地震作用标准值的结构底层总剪力；对框架柱数量从下至上分段有规律变化的结构，V0应取每段底层结构对应于地震作用标准值的总剪力）进行调整，可保证发挥地震时的二道防线作用；

7）底部加强区结构重要部位的构件验算均满足规范要求并留有一定的安全度，且在底部加强区墙肢拉应力较大的墙肢里设置型钢，保证剪力墙墙肢的延性；

8）根据抗倾覆验算结果，结构可满足风荷载、小震及大震作用下的整体稳定性。

6 结构动力弹塑性分析

本工程大震弹塑性分析2 组天然波和1 组人工波，对结构在各组波作用下的弹塑性分析整体计算结果汇总，各组地震波均按地震主方向为X 向和Y 向分别计算。

根据弹塑性计算分析，得出主要结论如下：

1）在人工波罕遇地震作用下结构仍保持直立，最大弹塑性层间位移角X 向为1/137、Y 向为1/156，小于框架-核心筒结构1/100 的限值。

2）大震弹塑性时程分析首层剪重比约为7%，大震弹塑性时程下首层X 向、Y 向剪力与大震弹性最小比值分别为0.41 和 0.58。

3）核心筒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，从而保护了主承重墙肢，大部分主承重墙未出现明显的损伤；且从人工波X 主方向作用下结构弹性与弹塑性反应对比来看，由于连梁耗能作用充分，弹塑性下结构各层剪力均低于弹性结果，而各层位移反应总体大于弹性结果，弹塑性下顶点位移时程有明显的反应滞后现象。

4）核心筒剪力墙在结构底部楼层出现了轻度至中度的受压损伤，但是钢筋尚未充分屈服，且提高墙体配筋率后剪力墙损伤有所缓和，抗震承载力足够。

5）大震下，外框架柱仅个别外框柱和外框梁出现轻微的塑性应变，极少数柱脚出现轻度的塑形应变，大部分外框架柱和框架梁均处于弹性状态。外框架在大震作用下的承载力仍有较大富余，核心筒进入塑性后外框架可以起到抗震二道防线的作用。

6）裙楼楼板出现局部受压损伤，设计考虑进一步加强此处楼板的配筋，其余楼板均未出现明显损伤，抗震承载力足够。

7 结论

综上所述，本工程采用的主体结构质量分布均匀，刚度分布合理，变化均匀，结构体系合理可行；同时结构满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标，达到了本工程所设定的性能目标要求。