超限高层建筑结构设计分析

陈震

（广东博意建筑设计院有限公司，广东佛山 528000）

1 工程概况

海南某项目位于海口市海甸岛。该项目为超高层办公楼，地面以上29 层，建筑高度96.9 m；地下室2 层，深度为9.9 m。地上建筑面积46 118.29 m2，地下总建筑面积109 795.49 m2。

项目勘察结果表明，场地内不存在滑坡、危岩、崩塌、采空区、地面沉降及影响场地稳定性的活动断裂等不良地质作用。①层为杂填土，局部存在建筑碎块；⑦1 层为粉质黏土中，夹有一些半成岩的硬块，未发现其他对工程不利的埋藏物；③层、④1 层为砂土，严重液化，在消除饱和砂土液化及软土震陷影响后，适宜进行本工程建设。场地存在填土、淤泥质粉质黏土等软弱土层。

根据最新建筑条件，本工程建筑±0.000 m 标高相当于绝对标高为4.3 m（85 国家高程）。地下室底板面标高为-9.90 m（相当于绝对标高-5.60 m）。

2 结构体系及设计条件

2.1 结构体系

综合建筑抗震等性能和造价等因素考虑，以框架-剪力墙结构作为背景塔楼项目的结构体系，并以剪力墙和框架组合成多道防线，为结构提供抗侧刚度及承载能力。核心筒剪力墙厚度由550 mm—450 mm—400 mm 过渡，部分剪力墙内设置型钢。竖向构件混凝土强度等级为C40～C60，标准层结构布置见图1。

图1 标准层结构布置

2.2 设计条件

背景项目以8 度设计抗震设防烈度，丙类抗震设防类别，Ⅱ类场地，B 类地面粗糙度，有0.30g 设计基本地震加速度值、0.4 s 特征周期、0.75 kN/m2的50 年重现期基本风压、1.4 风荷载体型系数[1-3]。

2.3 超限情况

本项目建筑高度为96.9 m，属于超A 级但未超B 级高度框架-剪力墙结构；在考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2，存在1 项一般不规则项[4-5]。

3 结构分析计算

弹性分析选用盈建科软件（盈建科2.0.3）和ETABS 软件（ETABS 2016 C16.2.1）进行计算，取地下室顶板为嵌固端。综合扭转耦联、双向地震作用、偶然偏心等影响。计算主要输入参数：周期折减系数取0.95，阻尼比0.05，梁刚度放大系数按GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》（2015 年版）第5.2.4条取值。整体计算对比结果见表1。

表1 两种软件整体计算结果对比表

以YJK 与ETABS 软件分析结果为基础，结合规范要求和结构抗震设计理念可见：两种软件所得计算结果相近，表明所建模型和理论计算结果有一定可靠性，所建模型可作为设计依据。各项宏观计算指标（如周期、结构总质量、基底剪力、倾覆力矩等）均能基本满足规范要求，且相应指标参数差异满足《海南省超限高层建筑结构抗震设计要点（试行）》（琼建质〔2019〕3 号）的要求。

3.1 多遇地震下弹性动力时程分析

除以振型分解反应谱法为基础所开展的抗震计算外，本项目还以时程分析法作为补充验算。

3.1.1 地震时程选择

基于结构第一、第二周期主要振型周期点，以与规范谱差异小于±20%的范围选取时程波地震影响系数。

考虑大小震作用下塔楼第一自振周期约2.52 s，因此，时程波有效持续时间应控制在5 倍自振周期以上，计算时以12.5 s 作为时程波持续时间，以波形首次出现0.1 倍峰值为起始点，以最后出现0.1 倍峰值为终止点。

所得时程曲线计算结果应满足平均底部剪力大于80%振型分解反应谱法结果，且各地震波底部剪力应大于65%反应谱法结果。

综合底部剪力、时程波持续时间和有效峰值等因素考虑，以2 组人工合成波和5 组天然波作为研究对象开展分析。

3.1.2 弹性时程分析结果

弹性时程分析的基底剪力及位移见表2 及表3。

表2 小震时程与反应谱基底剪力的对比

表3 小震时程与反应谱层间位移角最大值的对比

从表2 可见：7 组地震波平均底部剪力大于80%反应谱法底部剪力，且各地震波底部剪力均大于65%反应谱法底部剪力，即所选取的地震波符合要求。

从表3 可见：7 组地震波计算的层间位移角及楼层位移平均值均满足《海南省超限高层建筑结构抗震设计要点（试行）》限值1/727，且均为弯剪型位移曲线，不存在较大突变，有较为均匀的结构侧向刚度。

3.2 中震构件承载力分析

为保证结构的重要构件安全可靠，本工程采用YJK 程序进行了中震构件承载力分析。计算参数见表4。

表4 中震等效弹性计算方法参数取值

基于本工程的重要性及结构超高超限情况，整体结构设计按表5 中抗震设防性能目标进行。

表5 中震等效弹性计算方法参数取值

经计算，底部加强部位的剪力墙暗柱配筋均由中震控制，结构平面中间部位外侧剪力墙端柱需设置型钢满足中震抗弯不屈要求，结构平面四角位置处的墙肢在3～20 层需设置型钢才能满足抗剪截面的要求。

4 结语

本项目在综合抗震原则及建筑特点的基础上，仔细考虑了整体结构的布置情况及受力体系，使其整体结构性能尽可能保持良好。以性能化设计方法进行抗震设计，除确保小震作用下结构保持弹性阶段外，还通过多种计算方式计算结构的弹性和弹塑性，从所得结果可见，结构有较良好的性能指标表现，符合规范要求。