浅谈厦门某超限高层建筑结构设计

贺 辉

富利建设集团有限公司（361000）

1 工程概况

聚群广场位于厦门市思明区观音山片区，台南路北侧，半屏山路西侧，其中2#楼为超高层办公楼，地下3层，地上35层，大屋面高度165.45m，建筑面积5.5万m2。该项目结构体系采用现浇钢筋混凝土剪力墙结构，楼板为现浇钢筋混凝土梁板体系。标准楼层结构如图1所示。

图1 标准楼层结构结构平面图

对于该项目，建筑物抗震设防等级为标准设防等级（C类），标称使用年限为50年，结构安全等级为Ⅱ级。该地区设计抗震组为二组，抗震设防烈度为7度，场地类别为Ⅱ类，基础设计地震加速度为0.15g，特征周期Tg=0.45s（安全评估报告），50年一遇基本风压取为0.8kN/m2（承载力计算时风荷载效放大1.1倍）。

2 基础设计

根据中国地质科学院工程勘察院提供的《聚群广场·岩土工程勘察报告》，拟建场地及其附近无活动性断裂、崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂缝、软土震陷、砂土液化、古河道、地下洞穴、防空洞、临空面等影响场地稳定性的不良地质现象，地质灾害或不利埋藏物。经对场地表部松软填土场平后形成的临时边坡、局部孤石、不均匀风化残留体或夹层采取相应的处理措施与办法后，场地和地基得以稳固，更适合拟建建筑的施工。此工程项目场地土层分布自上而下:①杂填土、②粉质黏土、③残积砂质黏性土、④全风化花岗岩、⑤砂砾状强风化花岗岩、⑥碎块状强风化花岗岩、⑦中风化岩。

工程基础设计质量为甲级，主体建筑基础采用人工挖桩，桩身直径1000～2000mm，桩身的混凝土强度等级为C35，扩大头的直径为2200～4100 mm，单桩特征竖向承载力值为8100～22950kN。桩端承载层为碎裂花岗岩，强烈风化。桩端进入持力层≥1000mm，桩长≤15m。桩基布置在剪力墙下，以保证承台不出现桩的剪切和冲切，减小承台的厚度和土方的开挖量，节省造价。

3 上部结构设计

3.1 超限情况

根据建设部建制（2006220号《高层建筑超限抗震设防专项检查要点》），将超限条件归纳为以下几点:①设防烈度为7度，剪力墙结构，总高度165.45 m＞120m，高度超限，且为超B级高度；②凹凸不规则:l/B=9.0/23.2=0.39＞0.30；③楼板不连续，5.5/9.1=0.60＞0.50；④刚度突变，第2、12、24层刚度均＜上层刚度的70%。

综上所述，该建筑工程项目为超高层建筑，多项不规则并且为超B级高度，而抗震超限审查时应按有关规定进行[1]。

3.2 抗震性能设计

对于这个工程项目来说，结构方面属于多项不规则的超B级高度的钢筋混凝土剪力墙结构，结合抗震设防专项审查意见，并根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第3.11.1条抗震性能目标四等级和第3.11.2条抗震性能五水准规定，按C级性能目标进行抗震性能设计，其性能水准分别为1、3、4，控制目标见表1[2]。

表1 震后结构性能状况

3.3 上部结构计算分析及结构设计

3.3.1 小震及风作用下结构性能分析

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第4.3.4条、4.3.5条、5.1.12条，设计时运用SATWE（中国建筑科学研究院），计算校核时用MIDAS软件进行补充[3]。

经计算分析，本建筑剪力墙厚度取为200～550 mm，竖向构件混凝土强度等级为C30～C60，梁板混凝土等级为C30～C40。考虑到本建筑三个主楼单体间的连接处较为薄弱，工程将采用整体模型和单体模型分别计算，进行包络设计。同时对三个主楼单体间的连接薄弱处板厚加大到150mm，并进行应力分析，确保结构安全。为了保证每个单塔和中间连接体薄弱部位受力满足要求，每个单塔周边和楼电梯间周边布置剪力墙，单塔剪力墙之间用强连梁连接，楼电梯间剪力墙形成核心筒，保证每个单塔的刚度和连接体薄弱部分的受力。

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第3.7.3条第3款规定，层间最大位移与层高之比限值取1/880。本建筑舒适度按《高层民用建筑钢结构技术规程》规定进行计算，结果为:顺风向顶点最大加速度，X向为0.022m/s2，Y向为0.079m/s2。横风向顶点最大加速度:X向0.084m/s2，Y向0.041m/s2。满足规范要求（加速度≤0.25m/s2）[4]。

建筑结构在多遇地震及风荷载作用下，用SATWE和MIDAS分析，主要结构对比见表2～表4。结果表明，两者计算的各项指标均满足规范要求，结构总重量、动力特性、周期及基底剪力基本一致，分析结果准确、可靠。设计中以SATWE计算结果作为主要依据，MIDAS作为校核。

表2 小震作用下整体结构分析主要结果对比

表4 单塔（中）结构分析主要结果对比（小震作用）

3.3.2 多遇地震弹性时程分析

为了在频繁地震的影响下进行额外的计算，使用了及时分析弹性动力学的方法。根据场地性质，选取了5个天然地震波和2个人工波，地震波的平均地震因子曲线与谱模态分解所用的地震因子曲线在统计上是一致的。建立结构弹性模型，将多条强震记录地震波输入模型计算，挑选出频谱特性与规范反应谱最吻合且满足《高层民用建筑钢结构技术规程》第4.3.5条要求的7条地震波，即每条时间曲线计算的结构底部剪力＞模态响应谱法结果的65%。由多条时间曲线计算得到的结构底部剪力平均值超过模态分解响应谱法结果的80%。最后，运用时程分析法进行设计。各地震波与反应谱法对比分析详如图2、图3所示。

图2 X向楼层剪力

图3 Y向楼层剪力

3.3.3 中震作用下结构性能分析

中震作用下的结构抗震设计采用中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部开发的PKPM系列软件SATWE进行计算。

3.3.3.1 中震弹性分析

选中程序，按中震弹性作结构设计。对于中震弹性，主要有两条:地震影响系数的最大值按中震（规范）取；取消内力组合调整（取消强柱弱梁，高剪弱弯调整）。其余主要分析参数见表11.3。

表3 单塔（左或右）结构分析主要结果对比（小震作用）

3.3.3.2 中震不屈服分析

选中程序，根据结构设计的中震弹性。中震弹性基本有5个要点：以地震影响系数的最大值为中震值（规范）；取消强柱弱梁、高剪低弯调整；荷载分项系数取1.0；材料强度标准值；抗震承载力调整系数为1.0。分析的其他主要参数见表5。

表5 结构分析参数

3.3.3.3 中震作用下结构整体性能分析

中震作用下，结构整体性能分析见表6。

表6 中震作用下结构分析结果

3.3.3.4 中震作用下结构构件性能分析

各构件内力需求及配筋分析如下:

下部加固区域的有限剪力墙边缘构件根据与抗弯能力相关的“中震不屈服”性能要求进行测试。经计算，加固区内大部分横墙及连接梁的内力分布合理，基本无超筋现象，墙体最大轴压比为0.35，延性指数很好，满足设计性能要求。

底部加强区剪力墙抗剪承载力按“中震弹性”性能要求验算,截面抗剪验算满足:Vw＜0.15fcbwhwo，经计算，工程满足要求。

因中震作用下剪力墙出现拉应力，在建筑周边框架柱内布置型钢以承担拉应力。

综上所述，结构整体及构件性能基本满足中震作用下的性能目标。

3.3.4 大震作用下结构性能分析

在罕遇地震中，结构的某些部分会失效。结构的工作状态由弹性变为弹塑性。随着塑性的发展，结构的刚度不断降低，阻尼系数相应增加。该过程的建模可以使用近似静态弹塑性分析（pushover）来实现。通过这种分析，可以检验结构在频繁地震时的弹性结构假设，并大致确定结构在罕见地震时的破坏过程，并找到薄弱环节，以便设计能够针对薄弱环节加固，确保整体结构能够支持基于性能的抗震设计。这种静态弹塑性分析由MIDAS执行。

3.3.4.1 罕遇地震作用下性能点确定

通过分析模型在X、Y方向的推覆分析，寻找结构在7度（0.15g）罕遇地震影响下的大震性能点。Pushover计算得到力位移关系和罕见地震反应谱分别转换为功率谱和需求谱，绘制在坐标系中，如图4和图5所示。X方向的结构模型罕遇地震下基础剪力为122700kN，顶点偏移量为309.9mm；Y向结构模型罕遇地震下地基剪力为143900kN，顶点偏移量为364.5mm。

图4 X方向罕遇地震性能点

图5 Y方向罕遇地震性能点

3.3.4.2 罕遇地震作用下层间位移角验算

经过计算分析，罕遇地震下的层间位移X向为1/240，Y向为1/344。

3.3.4.3 抗震性能总体评价

通过以上静力弹塑性分析，可以得到如下主要结论:

在罕遇地震作用下结构性能点的存在，表明结构设计的合理性。

在罕遇地震作用下，层间位移角未超过抗震规范要求的1/120极限，说明了该结构具有明显的屈服平台和足够的抗震能力。

3.3.5 相应抗震措施

对底部加强区竖向构件采用SATWE进行设防烈度地震作用下整体结构性能设计计算。对于底部加强部位以上轴压比大于0.3的剪力墙墙肢应设置约束边缘构件，但不超过房屋总高度的1/3。同时，提高关键部位的设计可靠度，如在中震作用下关键剪力墙受拉墙体约束边缘构件内设置型钢，提高结构延性，实现中震可修的设防目标[5]。

针对扭转不规则问题，本建筑平面基本规则、均匀、结构布置左右对称，通过调整抗侧力构件的布置，尽量降低质心与刚心间偏心及扭转效应的不利影响，满足周期比要求，并严格控制最大扭转位移比小于1.2，加强剪力墙延性，控制剪力墙的最大轴压比。

针对凸凹不规则和楼板不连续问题，本建筑采用整体模型和单体模型分别计算，包络设计。对三个主楼单体间的连接薄弱处进行应力分析，小震时按应力不大于混凝土抗拉强度标准值控制，中震时控制配筋。对局部较弱连接板块采取加大楼板厚度、双层双向配筋，且按每层每个方向配筋率不小于0.25%配筋，增强楼板的抗剪能力。

针对薄弱层问题，对其上一层采取减小剪力墙截面、降低混凝土等级等措施降低侧向刚度差。将薄弱层的地震剪力放大到1.25倍，对薄弱层进行弹塑性变形分析，以保证薄弱层的安全性。

4 结语

该项目是一不规则形状的超B级超高层建筑。通过合理的结构规划、详细的计算和分析，对薄弱部位采取适当的加固措施，并进行分析论证，确保主体结构具有所需的抗震性能。