某商务办公楼超限结构设计分析

张继合

(山东省建筑设计研究院有限公司，山东 济南 250001)

1 工程概况

本工程为商业综合体项目，包括办公、商业、影院、餐饮等功能，设有4栋高层及附带的3层裙房，主楼和裙房由地下5层车库整体连接，地上商业裙房与各主楼之间均设防震缝分开，其中4号楼总建筑面积为53 671 m2，主要功能为商务办公，地上44层，地下5层，建筑高度自室外地坪起算为150 m。4号楼地上长53.6 m，宽度23 m，高宽比6.5>6，地下1层层高4.9 m，地下2层3.6 m，地下3层～5层均为3.5 m，首层及2层层高均为4.5 m，3层4.42 m,4层3.3 m，第14层为避难层，层高3.5 m，第29层为避难层，层高4.0 m，其余层高均为3.30 m；首层设挑高大堂，高度9 m，楼座四角转角处均设转角窗，建筑效果图见图1，建筑标准层平面图见图2。

本项目安全等级二级，结构设计使用年限50 a，基本风压0.45 kN/m2，标准设防类。抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度0.10g，设计地震分组为第三组，场地土类别为Ⅱ类，场地特征周期Tg=0.45 s。

本工程采用的地震动参数[1]见表1。

表1 地震动参数

2 结构设计

本项目裙房结构布置不规则，且存在大跨、开大洞等结构抗震不利项，为避免结构带来复杂影响，综合考虑后，地上4号主楼与裙房设缝脱开，地下室不设缝，因4号楼以商务办公为主，房间内不能露柱子，结合建筑功能，主体结构选用了钢筋混凝土剪力墙结构形式。剪力墙结构是由纵横向剪力墙和平面楼板所组成的空间结构体系，其变形特点为弯曲型变形，它具有刚度大、位移小、抗震性能好的特点，对于本工程而言，剪力墙可均匀布置，能实现上下连续布置，满足室内不露柱子的要求，因此剪力墙结构体系是比较适合的结构体系，结构布置图见图3。

嵌固端的选取需要综合考虑开洞、顶板局部高差等，取-2层顶板及-1层顶分别作为嵌固部位，进行包络设计，底部加强区高度从-4.950 m(-2层顶板标高处)至17.080 m(5层楼板标高处)。地下剪力墙墙厚一般为300 mm～500 mm，地上底部加强区范围内剪力墙厚度300 mm～400 mm，裙房内少数受偏拉墙肢墙厚为500 mm；以上各层墙体厚度逐渐变为200 mm～300 mm。局部剪力墙偏拉验算超限处设型钢，个别位置支撑框架梁的剪力墙连梁内设型钢，混凝土强度等级由底部C60往上各层逐渐变为C35。

为保证结构足够的延性，结构刚度和强度不发生突变，在底部加强区以上设置过渡层，过渡层是B级高度的建筑物中在约束边缘构件层与构造边缘构件层之间设置的层间过渡层，一般1层～2层即可。

转角窗虽然保证了建筑通透效果，但是大大削弱了结构的抗扭刚度，从结构角度考虑，建筑物的四角宜设置刚度大的竖向构件，避免建筑物扭转，因无法实现四角设剪力墙，故需加强转角窗周边竖向构件的连接，在转角处楼板内设暗梁并控制楼板在大震下的拉应力，保证楼板对转角墙肢的协调作用，转角处剪力墙全高采用约束边缘构件。

3 超限判断及关键构件抗震性能设计

3.1 超限判断

4号楼高度接近JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程[2]B级最大适用高度150 m。按现行《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》[3]的有关规定，此建筑属于高度超限建筑，从结构的平面不规则性以及竖向不规则性等方面进一步判断如下：

1)扭转不规则，在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层最大弹性水平位移(或层间位移)大于该楼层两端弹性水平位移(或层间位移)平均值的1.2倍，X向最大位移比为1.11(第1层),Y向最大位移比为1.35(第2层),存在该项不规则。

2)局部错层，首层楼板高差600 mm，错层处高差大于梁高，属于超限的其他不规则项。

3)2层大堂处挑高9 m，形成穿层剪力墙，属于超限的其他不规则项。

3.2 确定抗震性能目标

根据本工程超限特点，针对结构平面不规则，局部错层、穿层墙，采取性能化设计，参照《高层建筑混凝土结构技术规程》第3章要求，抗震性能目标拟选C级(底部加强区以上部位抗震性能目标略低于C级)，相应的性能水准见表2，结合弹性分析、弹塑性分析及局部位置的专项分析结果，对关键部位采取更进一步的加强措施[4]。

表2 抗震设防性能目标

3.3 确定抗震等级

标准设防类，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》表3.9.4剪力墙结构，抗震等级为一级。

标准层主楼四角设角窗，端山墙抗震构造措施提高至特一级；对应首层大堂处二层楼板开大洞，局部剪力墙抗震等级提高至特一级，抗震等级如表3所示。

表3 抗震等级划分表

3.4 重点加强措施

1)抗震设计时，为保证剪力墙底部出现塑性铰后具有足够大的延性，应对可能出现塑性铰的部位加强抗震措施，包括提高其抗剪破坏能力，设置约束边缘构件等。本工程底部加强区高度取至4层屋面顶板位置，考虑到底部加强部位的重要性，其边缘构件高度上延至轴压比小于0.2处。

2)大堂处局部穿层剪力墙，层高9 m，墙厚400 mm，截面高度3 050 mm，墙的无肢长度较大，针对此墙体稳定性验算，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》附录D.0.1的要求。

3)转角窗的设置削弱了结构的抗扭刚度，因角窗两侧均为一字墙，且角窗处均为双向悬挑梁，需要从结构计算及构造措施方面采取加强措施。端开间楼板是保证墙肢稳定的连接构件，为此，控制楼板在大震下的拉应力，计算表明，地震工况下最大拉应力3.0 MPa，在转角窗两墙肢边缘处设与板厚相同的斜向暗梁。挑梁根梁顶配筋率按特一级要求，箍筋按特一级框架梁的配箍率配筋，同时要求腰筋配筋率不小于0.2%bhw，梁转角处钢筋采用机械连接。针对转角梁进行抗震性能化设计，控制中震下抗剪弹性，抗弯不屈服，大震下抗剪截面满足要求。支撑挑梁的墙肢无翼墙，全高采用约束边缘构件。

4)支撑框架梁的连梁除满足性能化指标要求外，尚采取以下加强措施：

a.保证连梁的足够抗扭能力，配置腰筋，直径不小于16 mm。

b.连梁内设型钢，保证连梁足够的延性。

5)首层楼板错层处增加斜向加腋，提高错层处剪力墙的抗震等级至特一级；加大错层处剪力墙的配筋率，水平和竖向钢筋的配筋率不小于0.50%。

6)本工程进行中震双向水平地震作用下受拉验算,计算结果表明地下2层至地上4层部分剪力墙墙肢在地震作用下出现拉力，1层墙肢拉力较-1层拉力稍大，受拉墙肢大多数位于南北侧纵向短墙肢处及裙房边缘墙肢处，墙肢名义拉应力均未超过2倍混凝土抗拉强度标准值，仅有局部较少的拉力超过混凝土抗拉强度标准值，故对该区域墙肢的抗震构造措施提高至特一级，端部短墙肢按柱单元模型与墙单元计算结构取包络。

4 多遇地震下弹性分析

4.1 计算软件和主要计算参数

采用YJK-建筑结构计算软件(V1.9.3.2版)和Midas-Gen(V780)软件进行结构在多遇地震作用下的整体计算分析,相互校验分析结果是否可靠；水平地震作用计算时采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解法，并考虑偶然偏心和双向地震的影响。混凝土容重26 kN/m3，连梁刚度折减系数0.75，梁刚度增大系数按GB 50010—2010混凝土结构设计规范(2015年版)[5]中5.2.4条采用，框架梁梁端负弯矩调幅系数0.85，梁内力增大系数1.0，梁扭矩折减系数0.4，周期折减系数0.90。反应谱按GB 50011—2010建筑抗震设计规范(2016年版)第5.1.5条采用，多遇地震作用下的水平地震影响系数最大值为0.08。计算楼层位移比时按强制刚性楼板假定，其他整体参数按非强制刚性板假定。风荷载根据GB 50009—2012建筑结构荷载规范[6]8.3.2条考虑风力相互干扰的群体效应，对于矩形平面，取顺风向风荷载相互干扰系数为1.1，且考虑横向风振的影响，并进行30°,60°,120°,210°多角度风荷载计算分析。整体结构计算模型如图4所示。

4.2 主要结构计算结果

采用YJK和Midas-Gen对结构进行动力特性分析，计算振型数为60个，其中前4阶振型列表主要计算结果汇总于表4中。

表4 周期计算结果

YJK及Midas-Gen第一振型为沿着Y向平动，第二振型为沿着X向平动，第三振型为扭转，振型图如图5,图6所示。

结构总质量、总剪力、最大层间位移角采用两种软件计算，计算结果列于表5。

表5 总质量、总剪力、最大层间位移角计算结果

从以上两表格可以看出，YJK和Midas-Gen计算结果均差别不大，可以说明两种软件的计算结果均可采纳。两种计算软件在主要振型上分析结果接近，且平动与扭转周期的比值均满足规范要求。各层剪重比调整后满足规范要求。两种软件计算所得各楼层地震剪力相当，结构计算结果准确可信。

4.3 多遇地震作用下弹性时程分析的补充计算

本工程为超限高层建筑，采用弹性时程法对结构进行了多遇地震下的补充计算分析。地震波采用5组实际地震波和2组人工地震波，输入YJK软件进行弹性时程分析。典型地震波如图7所示。

所采用7组地震波时间间隔均为0.02 s，持续时长分别为48.1 s,47.8 s,22.3 s,55.6 s,38.8 s,31.1 s和31.4 s，均大于结构第一自振周期4.443 s的5倍和15 s。7组地震加速度时程曲线均满足地震动三要素的要求，即频谱特性、有效峰值和持续时间。7组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比，在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20%，满足在统计意义上相符的条件。时程分析结果表明：多条波平均值与CQC法计算结果比较，弹性时程计算结果比CQC大，各层剪力放大系数为1.01～1.10，YJK软件直接分层对应导入放大系数进行施工图设计。

5 罕遇地震作用下的弹塑性分析

5.1 时程曲线

本工程建筑高度150 m，为B级高度的高层建筑，对其进行弹塑性动力计算分析，以便找出结构薄弱部位，控制整体结构的弹塑性变形，确保结构在罕遇地震作用下不发生倒塌破坏。本项目采用YJK弹塑性时程分析软件(YJK-EP)进行分析计算。结构在地震波激励作用下部分材料进入了塑性状态。最大位移角X向1/164，Y向1/135,均满足规范限值1/120。

5.2 罕遇地震作用下结构损伤情况

地震作用下结构的损伤是一个逐渐发展的过程，首先出现损伤的构件将起到消耗地震能量的作用。损伤顺序是否合理是结构方案设计是否合理的一个重要评断依据。根据计算结果，观察每组波从起始时刻至终止时刻过程，选取结构最终损伤较严重的人工模拟地震波作用下的损伤情况进行说明。剪力墙受压损伤情况如图8所示(个别损伤程度较严重剪力墙损伤情况放大图如图9所示)，框架柱损伤情况如图10所示，框架梁、连梁损伤情况如图11所示。在完成罕遇地震动力弹塑性分析后，结构仍保持直立，位移角均满足《高层建筑混凝土结构技术规程》不大于1/120的限值要求，能够达到“大震不倒”的抗震设防目标。

6 结论

本文从概念设计到优选方案及超限不规则项的判断及计算方法等方面进行了论述，可以为后续类似工程提供有益的参考价值。

1)根据本工程特点，合理确定抗震性能化目标C级，根据构件的重要性合理确定其抗震等级，特别是对于重点部位，采取了对应的加强措施，保证结构安全合理。

2)弹性结构计算采取了两种软件比较分析，结果可信。补充了弹性时程计算，选用了5组天然波和2组人工波，结果合理，有效保证各层地震剪力的合理取值。由罕遇地震作用下的弹塑性分析可知结构具有良好的耗能能力，能够达到“大震不倒”的抗震设防目标。