某高层在结构设计中超限问题分析

陈志聪

（广东省建筑设计研究院有限公司，广东广州 510010）

1 工程概况

逸彩新世界住宅项目位于广州市荔湾区。总建筑面积约为35.8万m2，E栋高141.00m，层数43~47层；地下室4层，首层层高4.5m，二层层高4.2m，裙房建筑功能为商业，标准层为住宅，层高为3m，避难层在15F和31F，层高为3.6m，如图1所示。

图1 YJKE栋模型

2 结构体系

E栋塔楼结构高度141.00m，结构平面外包尺寸约为48.35m×32.25m，长宽比为1.50，塔楼高宽比4.37。综合考虑建筑功能、立面造型、抗震（风）性能要求、施工周期以及土建造价等因素，本项目采用部分框支剪力墙结构体系，为超B级高度高层建筑。

超高层的结构体系主要包括重力体系和抗侧力体系两大部分。对于本项目，塔楼重力体系主要指楼面体系，而抗侧体系则有塔楼剪力墙和框支柱组成，水平荷载产生的剪力和倾覆弯矩由框支柱和剪力墙承担，如图2所示。

图2 转换层

本工程主要采用现浇钢筋混凝土楼盖。各层楼盖的主要结构布置原则如下。

（1）主塔楼标准层采用主次梁结构，板厚主要为100mm、120mm和150mm。

（2）转换层板厚主要200mm。

3 计算结果与分析

塔楼YJK整体计算结果汇总及其ETABS模型的计算结果对比详见表1。

表1 塔楼YJK整体计算结果汇总及其ETABS模型的计算结果对比

根据上述计算结果，结合规范规定的要求，可以得出如下结论。

（1）楼层剪重比均满足广东《高规》4.3.12，结构刚度适中。

（2）本工程满足广东《高规》3.7.3按部分框支—剪力墙结构控制，结构最大层间位移角限值为1/180。

（3）在偶然偏心地震荷载作用下，按广东《高规》3.4.4规定水平力法计算得出的Y向最大扭转位移小于1.39，满足广东《高规》，属于一般扭转不规则结构。

（4）按广东《高规》3.5.3，抗侧力结构的层间受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承载力的75%，层间受剪承载力比最小值为0.94，不属于楼层承载力突变。

（5）结构刚重比大于2.7，满足广东《高规》5.4.1对结构稳定的要求，不需考虑重力二阶效应。

（6）反应谱地震作用下的最大层间位移角，ETABS计算的结果较小的原因是ETABS软件未能剪力调整导致。

3.1 结构的弹性时程分析

本工程为B级高度高层结构，抗震设防烈度为7度，弹性时程分析法进行设防地震下的补充计算。采用YJK进行弹性动力时程分析，输入地震波为设防地震的5组记录和2组人工波，双向输入，主方向地震动时程的有效峰值加速度为110cm/s2，次方向地震动时程的有效峰值加速度按主方向的85%输入；进行弹性动力分析时按7度地震Ⅲ类场地，50年时限内超越概率为10%（中震），阻尼比为0.05考虑。

（1）时程分析结果满足七组地震波平均底部剪力不小于振型分解反应谱法结果的80%，同时不大于120%，每条地震波底部剪力不小于反应谱法结果的65%，同时不大于135%的条件，地震波反应谱平均值与规范反应谱统计意义上相符。

（2）七条波得出楼层剪力平均值曲线与CQC得出的剪力曲线基本一致，各条波楼层位移曲线相似，裙房层以上楼层曲线较光滑无明显突变，反映出裙房以上结构抗侧刚度沿高度方向较为均匀。最大位移角出现在中上部，符合位移角分布规律，计算所得层间位移角最大值均在规范允许值范围内。

（3）在设防地震作用下，由于部分楼层时程剪力平均值大于反应谱剪力，幅度在1.0~1.2，在对这些楼层施工图设计时，施工图设计时根据各层弹性时程和CQC剪力的比值分别输入增大系数，如图3所示。

3.2 框支转换柱、梁

因为本工程E栋属于超高层，本栋三层属于梁式转换，故对本层设计要求较高。为解决转换层的刚度要求，并且对框支梁的扭转不足，转换层部分框支梁增加型钢。同时本层采用C60混凝土，并适当提高配筋率及配箍率，且严格控制柱子轴压比。

图4为型钢混凝土梁与钢筋混凝土柱的连接大样。考虑其双向受力，保证两侧刚度一致，混凝土柱内设置局部工字形型钢。梁纵筋与柱的连接形式有两种：①梁纵筋与柱内型钢翼缘采用套筒连接，使得梁上荷载能够有效传递和增加整体稳定性以及可将荷载均匀传递到柱内。②梁纵筋与柱内型钢腹板交接时，采用直接穿孔的方式通过腹板，保证梁纵筋贯通锚固，故需连接大样对穿孔精准定位，这样方便现场施工。

图4 型钢梁柱连接大样

3.3 剪力墙

如图5所示，因剪力超筋计算不通过，增加截面对建筑影响较大，故对剪力墙内部加钢板，增加剪力墙自身的刚度，从而满足计算需求。

图5 钢板剪力墙大样

4 超限处理的主要措施

建筑超限处理的措施如下。

（1）设计时分别采用多个空间结构分析程序YJK、ETABS、SAUSAGE等进行计算，验算时考虑扭转耦联、偶然偏心、三向地震的影响。

（2）采用等效弹性算法，进行中震不屈服与大震不屈服验算，分析其抗震性能，并采取相应措施。

（3）采用SAUSAGE软件对结构进行罕遇地震下的弹塑性分析，以确定结构能否满足第二阶段抗震设防水准要求，并对薄弱构件制定相应的加强措施。

（4）分析了中震工况下楼板应力情况，确认了中震下楼板的完整性。

设计和构造方面可采取以下措施。

（1）对于部分框支剪力墙结构的剪力墙，其底部加强区剪力墙按“中震抗弯不屈服、抗剪弹性”的要求进行设计，其水平和竖向分布筋最小配筋率提高至0.5%，边缘构件最小配筋率提高至1.5%，使抗侧刚度和结构延性更好地匹配，达到有效地协同抗震。

（2）框支框架按“关键构件”和一级抗震构造等级进行性能设计，抗震配筋构造措施按现行国家相关规范执行，满足“中震抗弯、抗剪弹性”的要求进行设计，其中对框支柱的箍筋最小体积配箍率和纵向受力钢筋最小配筋率提高至1.6%。

（3）针对“扭转刚度弱”和“楼板大开洞”的加强措施：提高塔楼周边拉结梁的性能水准，设为重要构件，避免大震作用下构件屈服后结构的扭转效应明显增加。

（4）对于构件转换造成的楼板薄弱部位，根据弹性楼板分析结果加强配筋，保证楼板平面剪力的传递，转换层楼板设为200mm厚，转换层上一层楼板厚度提高至150mm，最小配筋率按0.25%控制。部分转换层楼板按格栅设置，格栅梁宽度取2倍的板厚，总配筋率不少于1%。

（5）核心筒周边薄弱处楼板厚度提高至150mm，按中震弹性设计，采用双层双向配筋，最小配筋率按0.25%控制。

（6）塔楼外周支承框架梁的墙翼缘和端柱按照框架柱的构造包络设计。

5 结语

综上所述，本工程存在“扭转不规则”，“楼板大开洞”“扭转刚度弱”，“刚度突变”和“构件间断”规则，我们对关键构件设定抗震性能化目标。并在抗震设计中，采用多种程序对结构进行了弹性、弹塑性计算分析，保证结构构件在中震和大震作用下满足对应的性能要求。计算结果表明，各项指标均表现良好，满足规范的有关要求。根据计算结果和概念设计方法，对关键和重要构件作了适当加强，以保证在地震作用下的延性。

因此，本工程除能满足竖向荷载和风荷载作用下的有关指标外，亦满足“性能目标C”的抗震设防目标，结构是可行且安全的。