某超限高层建筑框架—剪力墙结构抗震性能分析与设计

彭光宇

同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司 上海 200092

1 工程概况

馆员住宅塔楼地上17层，地下1层，地上部分结构高度约57m，地下室层高5.6m，为高层建筑。因本单体地下室周边局部区域地面标高低于地下室顶板标高，地下室未完全埋入地面以下，且东南侧局部区域为开敞的下沉庭院，地下室顶板较大范围缺失，基于以上因素，本单体嵌固端设置于地下室底板；本单体嵌固端为基础顶，结构总高度62.20m，属于框架-剪力墙结构，高度不超限。

本建筑考虑偶然偏心的扭转位移比最大值为1.22，大于限值1.2，小于1.4，属于扭转不规则；本建筑一层偏心率为0.20大于0.150，属于偏心布置；屋面构架层局部柱因向内移动，形成梁上立柱，属于局部不规则[3]；二层与地下室顶板Y向质心偏心距为18.3m；与地下室顶板Y向边长53.8m的比值为34%，大于20%，属于塔楼偏置。根据建质[2015]67号文，本项目属于超限高层建筑。

图1 一层结构平面布置图

图2 二层结构平面布置图

2 基础及地下室设计

场地浅部地基土层物理力学性质较差，建筑对变形敏感，天然基础和一般的地基处理较难满足地基承载力要求。故主体结构采用桩基础，桩型选用灌注桩。

高层塔楼范围以6-1层全-强风化泥岩为桩端持力层，极限端阻力标准值为2000kPa，灌注桩直径采用700mm，有效桩长为45m，预估单桩竖向承载力特征值约为3500KN。

纯地下室区域以2-3层粉质粘土或3层粉质粘土为桩端持力层，极限端阻力标准值为1500kPa，灌注桩直径采用600mm，有效桩长为20m，预估单桩竖向抗压承载力特征值约为1200KN，且纯地下室区域存在抗浮工况，灌注桩兼做抗拔桩，预估单桩竖向抗拔承载力特征值约为700KN。

无地下室区域以4-2层中风化凝灰岩为桩端持力层，极限端阻力标准值为1500kPa，灌注桩直径采用600mm，有效桩长为25m，预估单桩竖向抗压承载力特征值约为1300KN。

带地下室区域采用桩筏基础，筏板厚度主要为500厚，柱下布置承台，剪力墙下筏板局部加厚，满足冲切承载力要求；框架柱、剪力墙下桩基相对集中布置，桩距主要3.0D。

3 上部主体结构设计

3.1 主要设计参数

项目所在场区地的抗震设防烈度为7度(0.10g)，设计地震分组为第一组，场地类别为III类，特征周期为0.45s，住宅抗震设防重要性类别为标准设防类（丙类）；本项目单体拟采用框架-剪力墙结构体系，框架抗震等级为二级、剪力墙抗震等级为二级；本工程建筑结构安全等级为二级，设计使用年限为50年，结构重要性系数1.0。

表1 地震作用及结构分析参数（水平地震作用）

3.2 结构超限情况及采取的对应措施

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（建质[2015]67号文），本项目主要超限情况如下。

3.2.1 规则情况

（1）扭转不规则：考虑偶然偏心扭转位移比最大值为1.22，大于1.2，小于1.4；（2）偏心布置：本建筑一层偏心率为0.20大于0.150；（3）局部不规则：屋面构架层局部柱因向内移动，形成梁上立柱；（4）塔楼偏置：二层与地下室顶板Y向质心偏心距为18.3m；与地下室顶板Y向边长53.8m的比值为34%，单塔与大底盘的质心偏心距大于底盘相应边长20%；

（1）与（2）项属于同一类超限，合并为一项，综合判定共3项超限项，属于特别不规则结构，按要求需进行超限高层抗震设防专项审查；经超限评审会讨论及与专家沟通，针对本单体超限项次采取相应措施进行加强[2-3]。

3.2.2 加强措施

整体的概念加强措施：①结构布置上尽量根据结构平面、立面特点布置结构抗侧力构件，使结构刚心和质心尽量一致，并满足刚度要求。通过对外围构件进行适当加强来提高结构平面的抗扭转刚度。建筑两侧均布置剪力墙，提高结构的抗震性能，现以扭转为主的第一自振周期与以平动为主的第一自振周期之比小于0.9。②竖向体型突变部位（地下室顶板），板厚均大于150，楼板贯通筋配筋率提高至0.25%；体型突变部位上层结构的楼板配筋双面双向拉通，构造措施适当加强。③立面收进、塔楼偏置楼层，对收进部位以下2层结构周边的竖向构件配筋构造措施进行适当加强，合理控制轴压比。立面收进部位上、下各2层塔楼框架柱、剪力墙的抗震等级提高一级，为一级。④屋面局部转换梁按转换构件要求进行设计，转换梁配筋及构造措施适当加强。⑤考虑到本项目不规则项次较少，塔楼偏置情况是由于地下室单面开敞所致，故本项目仅采用进行针对性加强的方式，对有关构件提高抗震等级等措施进行加强，满足抗震性能要求。⑥采用多种不同计算方法，包多遇地震下反应谱计算、弹性时程分析，罕遇地震下静力弹塑性分析等，寻找结构薄弱部位，通过提高构件配筋，增大截面等方式进行针对性加强。

3.3 弹性分析主要计算结果

本工程弹性分析采用YJK(盈建科)软件作为主要计算分析软件，以Etabs软件作为辅助软件进行计算校核。弹性分析结果如表2所示，计算结果均满足规范要求。

表2 线弹性分析计算结果汇总

3.5 弹性时程分析

本项目弹性时程分析选用了5组实测地震波和2组人工地震波进行多遇地震下的补充计算。在地震波选用中综合考虑场地类别、数量、频谱特性、有效峰值、持续时间、统计特性、震源机制以及工程判断几个方面的要求，最终的选波及线弹性时程分析计算结果如表3所示。

表3 弹性时程分析与CQC方法的比较

3.6 静力弹塑性分析

本工程项目单体采用PUSH程序进行X+、X-、Y+、Y-四个方向的静力推覆分析。侧推荷载分别采用倒三角形分布和弹性CQC 地震力分布模式，侧推荷载总量最大加载到结构总重量的100%，逐步加载非线性分析。计算结果显示，罕遇地震作用下的基地剪力为多遇地震下的2.6~3.0倍左右，其中X方向罕遇地震下的性能点最大层间位移角为1/336（8F），Y方向罕遇地震下的性能点最大层间位移角为1/224（18F）。

在施加水平方向推覆力时，首先在中间楼层出现连梁出铰，随着推覆力的不断较大，其他各层也出现连梁出铰，随后个别框架柱也出现塑性铰；局部柱出现一定程度的损伤，后续设计时对相应柱进行配筋加强。在达到罕遇地震性能点时，局部楼层的框架梁及部分框架柱出现了塑性铰，但主要的框架柱、梁等关键构件均没有出现塑形铰，结构满足规范规定的要求，同时可以满足“大震不倒”的性能目标要求。

4 结论

本文以工程项目为背景，详述了对该项目框架剪力墙结构单体的线弹性分析、弹性时程分析及静力弹塑性分析。主要结论如下：

⑴该结构在小震作用下，最大层间位移角为1/1019，小于1/800，满足规范规定的要求，且有较大的富余量。

⑵结构第一阶平动周期为1.91s，第一阶扭转周期为1.700s，周期比值为0.87，表明结构布置合理，且具有较大的抗扭刚度。

⑶弹性时程分析结果表明，结构位移基本连续，位移角平均值满足规范规定的不大于 1/800的要求，弹性时程计算结果总体上小于反应谱计算结果，两种方法的计算结果基本吻合，满足规范要求。

⑷静力弹塑性分析结果表明在预估的罕遇作用下最大弹塑形层间位移角为1/224，小于1/50，满足规范要求。