某超限高層建筑結構分析與設計（建筑）

李  毅，王華輝，韓  平，王  楊，孫建超，夏榮茂

（中國建筑科學研究院，北京100013）

[摘要]本工程寫字樓為辦公建筑，結構高度169. 1m，采用框筒結構。針對結構超高、樓板局部大開洞、局部穿層柱及核心筒外側墻體取消帶來的扭轉不利影響等超限特點，采取相應加強措施，并采用多個分析軟件進行多遇地震反應譜分析，同時對結構進行抗震性能化設計、彈性時程分析和罕遇地震作用下彈塑性時程分析。計算分析結果表明，采取相應措施后，各項指標均滿足規范要求且滿足設定抗震性能目標要求，結構具有良好的抗震性能。

[關鍵詞]超限高層建筑；抗震性能目標；彈塑性時程分析；結構設計

[中圖分類號]   TU972⁺．9   

1  工程概況

    本工程位于江西省贛州市章江新區中心，建筑主要功能為辦公、商業及地下停車庫等。本工程地下室與先期建設的華潤大廈及萬象城在地下連為一體，地上設縫分開獨立建設，建筑地上42層，地下3層，建筑檐口高度為169. 1m，其中首層、二層為商業，其余樓層為辦公，建筑效果圖與剖面圖見圖1、圖2。

    本工程抗震設防烈度為6度，設防分組為第一組，設計基本地震加速度0. 05g，場地類別為II類，抗震設防類別為丙類，基本風壓為0.3 k N/m²，地面粗糙度類別為C類，設計使用年限50年，建筑物安全等級為二級。

2  結構設計

2.1  基礎及地下室設計

    本工程根據結構布置、樓層與荷載情況，并結合地勘報告及前一期的工程經驗，主樓核心筒下為樁筏基礎，主樓其余部分與純地下室均采用柱下獨立樁基+抗水板，塔樓核心筒下筏板厚度3. 0m，塔樓核心筒外底板厚度為1. 2m；純地下室部分底板厚度0. 6m。樁長10m~14m不等，樁端進入中風化泥巖4m~ 8m。地下室采用混凝土梁板結構，首層樓板厚度為200m~ 300mm不等。

2.2上部結構設計

    主樓結構地上42層，混凝土核心筒伸至171. 5m高度，大屋面結構標高為165. 9m，結構類型為框架．核心筒結構。樓蓋采用混凝土梁、板體系。本工程塔樓標準層平面較為規則，為典型框架。核心筒結構，標準層平面見圖3。結構二層局部樓板大開洞，局部形成穿層柱。為了滿足建筑功能要求，結構在第14層及以上時核心筒最南側墻體取消，30層及以上層核心筒最北側墻體取消，14層~ 30層結構形成核心筒墻體不對稱分布。

2.3  結構超限項及特點

    本工程結構高度為B級高度，主要超限項為高度超限，由于14層~ 30層核心筒南側墻體取消引起扭轉不規則，同時二層局部樓板大開洞，局部有穿層柱。本工程為超限高層建筑。

3  結構彈性分析與計算

    針對本工程超限特點，設計中采取了必要的措施，并且進行了相應的計算分析，主要按以下兩個層次進行：

    1)整體結構小震彈性分析（振型分解反應譜法）

    首先進行整體結構小震彈性分析，采用兩套獨立的程序（SATWE和ETABS）進行計算分析并對比其結果，確保整體結構的各項指標滿足規范要求。

    2)整體結構小震彈性時程分析

采用SATWE程序進行小震彈性時程分析。

3.1  抗震設計動參數選取

    根據場地安評報告，本場地的地震基本烈度為6度，場地設計抗震加速度為0. 05g，設計地震分組為第一組?？辈靾龅丶坝绊懛秶鷥?，四周較平坦開闊，無古河道、古墓，無滑坡、泥石流、地下采空區、砂土液化、軟土震陷及塌陷區等不良地質作用。

    從圖4可以看出，安評譜的地震影響系數曲線全部在規范譜曲線之上，安評譜影響系數在各個周期點上均大于規范譜，因此，多遇地震作用下，本工程在承載力、位移計算時取安評相關參數，中震及大震性能設計的參數按照規范取值。

3.2  多遇地震下振型分解反應譜計算分析

    采用對結構進行反應譜分析，并采用SATWE和ETABS進行對比計算分析，結構周期、層間位移角，位移比基底剪力，傾覆力矩等指標計算結果基本一致，SATWE計算結果見表2和表3。

    從X向地震樓層位移比分布圖與剛心分布圖可以看出，由于在14層~ 30層取消B軸處X向核心筒墻肢，在30層及以上層取消F軸處X向核心筒墻肢，所以剛心位置沿Y向發生變化。因此取消最外側墻體引起結構扭轉不規則，對結構抗震造成不利影響。

    多遇地震下振型分析反應譜計算結果顯示，結構各項整體指標均滿足規范要求，結構體系是可行的。

3.3彈性時程分析

    采用SATWE程序進行彈性時程分析，根據場地安評報告提供的地震波，選取3條地震波，包括1條人工波、2條天然波，分別為人工波、天然波TR1和天然波TR2，分別從X、Y向進行輸入，峰值加速度取18. 43 cm/s²（安評報告加速度峰值）。X、Y向3條波中每一條的基底剪力都大于反應譜法基底剪力的65%，平均基底剪力大于反應譜法基底剪力的80%，滿足規范對時程分析地震波的要求。地震記錄頻譜分析見圖7。

    由樓層剪力曲線（圖8、圖9）可以看出，結構X方向在34至頂層大于反應譜(CQC)分析結果，最大值為在進行小震反應譜計算時的1. 20倍，y方向在34層至頂層的部分地震波的時程分析樓層剪力大于CQC分析結果，最大值為在進行小震反應譜計算時的1.15倍，應按反應譜和時程分析結構取包絡進行設計，對X方向相應樓層剪力放大1. 20倍，Y方向放大1. 15倍后進行設計。

4  結構抗震性能目標

    根據該結構超限情況及抗震超限審查意見，本工程抗震設防性能目標應設定為C，細化如表4所示。

5超限設計加強措施

    核心筒底部加強部位高度取至第6層，主要墻體和框架柱按中震不屈服設計。核心筒外墻水平及豎向分布筋配筋率在1層～6層提高至0. 40%，7層～8層設置過渡層。

    由于二層局部樓板大開洞，為保證地震力傳遞，并對整層樓板進行加強，樓板厚度采用200mm，雙層雙向配筋，截面每個方向單側配筋率不小于0. 30%。X向地震作用下，第13層核心筒位于B軸處的剪力墻承擔的水平剪力為結構底部總水平剪力的46%，超過《高規》第8.1.7條單片剪力墻承擔剪力不得超過30%的限制要求，因此在第13層南側外框架處局部設置支撐，使核心筒墻肢的剪力減小到底部剪力的30%以下。該層B軸處的剪力墻按（計算時不考慮斜撐）大震不屈服設計且墻體水平分布筋提高至1. 2%，豎向分布筋提高至1.0%，并向下延伸兩層，本層該處墻體與支撐相連區域的樓板厚度采用200mm，雙層雙向配筋，截面每個方向單側配筋率不小于0. 30%。

    對于底部加強區的墻體，進行中震作用下的拉應力驗算與大震作用下的抗剪截面驗算。核心筒主要墻肢中震組合工況作用下均未出現拉應力；核心筒主要墻肢滿足大震作用下的抗剪截面控制條件。

6  罕遇地震彈塑性時程分析

    結構罕遇地震彈塑性時程分析采用PKPM-SAUSAGE軟件，根據抗震規范要求選取3組地震波，包括1組人工波、2組天然波（分別為人工波、天然波TRH1和天然波TRH2）。根據選出的3組（包含兩方向分量）地震記錄、采用主次方向輸入法（即X、Y方向依次作為主次方向），其中兩方向輸入峰值比依次為1：0. 85（主方向：次方向），主方向波峰值取為125gal。主要計算分析結果見圖10~圖13。

    從大震彈塑性時程分析結果可知：

    1)6度罕遇地震作用下，結構豎向構件僅出現輕微損傷，且最大層間位移角未超過1/100的要求，滿足規范“大震不倒”的要求。

    2)6度罕遇地震作用下，連梁大部分破壞，說明在罕遇地震作用下，連梁形成了鉸機制，發揮了屈服耗能作用，符合抗震概念設計。

    3)6度罕遇地震作用下，剪力墻在10層～13層南側外墻出現局部受壓損傷和剪力墻底部出現受拉損傷，框架柱在頂部出現局部受拉損傷，但豎向構件鋼筋未達到屈服應力，完全能夠滿足本工程設定的性能目標要求。

    4)6度罕遇地震作用下，第14層樓板局部出現受拉和受壓損傷，但樓板鋼筋未達到屈服應力，說明本工程采取的超限措施完全能夠保證樓板能夠滿足大震下傳遞水平力要求。

7  結論與建議

    本工程采用的主體結構質量分布均勻，剛度分布基本合理，結構體系合理可行；同時結構滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防目標，并達到本工程所設定的性能目標要求。

    本工程由于建筑功能需要，核心筒在第14層局部變化引起結構剛度變化，雖然通過采取加強措施，改善剛度變化帶來的不利影響，但這種剛度突變對結構抗震十分不利且不經濟，因此在超高層建筑確定方案時，尤其是在高烈度地區，應盡量避免采用這種核心簡單側收進方案。