超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計整體計算分析
——以重慶渝北某項目為例

劉勇

（重慶英才中域建筑設(shè)計有限公司 重慶市渝北區(qū)　401147）

超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計整體計算分析
——以重慶渝北某項目為例

劉勇

（重慶英才中域建筑設(shè)計有限公司 重慶市渝北區(qū)401147）

本文簡述了重慶市渝北區(qū)某商業(yè)中心超限高層項目的結(jié)構(gòu)整體計算分析，主要介紹了工程概況、超限情況、結(jié)構(gòu)超限整體計算分析、超限結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施等內(nèi)容。

超限高層；超限整體計算分析；抗震構(gòu)造措施

1　工程概況及結(jié)構(gòu)體系、布置簡述

1.1工程概況

本項目位于渝北區(qū)新牌坊轉(zhuǎn)盤。共40層，建筑結(jié)構(gòu)高度為171m，首層層高為9.2m，二層層高5.2m，其它層層高為4.2m。在11層和26層設(shè)避難層，避難層層高為4.8m。設(shè)有2層地下室，地下室主要作為地下停車庫及設(shè)備用房。

圖1　標準層建筑平面圖

圖2　項目立面效果圖

1.2結(jié)構(gòu)體系布置

本項目采用框架核心筒結(jié)構(gòu)。核心筒采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土，其混凝土強度等級為C50～C30。結(jié)構(gòu)利用建筑電（樓）梯間、設(shè)備管井及公共服務(wù)區(qū)組成剪力墻筒體，核心筒平面尺寸為17.1m× 18.2m。核心筒外圍墻體的厚度，由700mm逐漸減小為400mm；核心筒內(nèi)部墻體的厚度由400mm逐漸減小為300mm。

樓層平面核心筒區(qū)域以外部分為辦公區(qū)，外框架柱距適應(yīng)建筑使用的空間要求，外框柱間距最小為8.0m，最大為9.0m。外框柱截面由底部1600mm×1600mm逐漸減小為900mm×900mm。首層為滿足建筑大堂空間需要，層高為9.2m。設(shè)計時對底部加強區(qū)外框柱均采用型鋼混凝土柱，用于加強外框柱的延性及減少柱的軸向變形。

根據(jù)建筑平面功能布置及設(shè)備要求，本項目樓蓋采用普通現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板體系。混凝土樓板的厚度為120～180mm不等。地下室頂板厚度180mm，二層和所有樓層的核心筒區(qū)域板厚均為150mm，其余各處板厚均為120mm。

本項目嵌固端位于地下室頂板。地下室頂板無大開洞存在；樓板厚度為180mm，采用雙層雙向配筋；按剪切剛度計算的結(jié)構(gòu)地上一層側(cè)向剛度與相關(guān)范圍地下一層側(cè)向剛度的比值為0.32，比值<0.5；因此，該頂板作為嵌固端無問題。

本工程為超高層建筑，參考《場地詳勘》對基礎(chǔ)選型的建議，框架柱采用機械成孔灌注樁基礎(chǔ)，最小有效樁長約為9.0m。選擇中風(fēng)化泥巖作為樁端持力層，其天然單軸抗壓強度標準值為7.3MPa。核心筒部分采用筏板基礎(chǔ)，筏板厚2.0m。選擇中風(fēng)化砂巖作為持力層，其地基承載力特征值為2.4MPa。

2　結(jié)構(gòu)超限情況及抗震性能目標

2.1結(jié)構(gòu)超限情況

（1）結(jié)構(gòu)高度。根據(jù)《高規(guī)》第3.3.1條鋼筋混凝土高層建筑的最大適用高度，本工程結(jié)構(gòu)屬于高度超限，超限情況見表1。

表1　高度超限判別

（2）結(jié)構(gòu)規(guī)則性。本項目無樓板不連續(xù)，無扭轉(zhuǎn)、凹凸不規(guī)則等結(jié)構(gòu)平面、豎向不規(guī)則等情況。也不屬于其他特殊類型高層建筑等。

終上所述，本項目不屬于特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)，但屬于房屋高度超過《高規(guī)》表3.3.1中A級高度但不超B級最大適用高度的一般不規(guī)則高層建筑。根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防管理規(guī)定》（建設(shè)部令第111號）、《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》（建質(zhì)[2010]109號）及《重慶市超限高層建筑工程界定規(guī)定》（2010版），渝建發(fā)[2010]156號）的相關(guān)規(guī)定，本項目應(yīng)進行超限抗震專項設(shè)計，并報重慶市超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查。

2.2抗震性能目標

本項目的抗震設(shè)計在滿足國家、地方規(guī)范的規(guī)定和要求外，將根據(jù)建筑性能化抗震設(shè)計的概念進行設(shè)計。綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場地條件、結(jié)構(gòu)本身特點、建造費用和修復(fù)難易程度等因素，根據(jù)《高規(guī)》對抗震性能目標的劃分，本項目抗震性能目標定為C級，即小震下滿足結(jié)構(gòu)抗震性能水準1的要求，中震下滿足性能水準3的要求，大震下滿足性能水準4的要求。

針對抗震性能目標的不同抗震性能水準，設(shè)計時的具體計算控制指標如表2。

3　結(jié)構(gòu)整體計算分析及結(jié)果

根據(jù)《高規(guī)》對超限高層計算的相關(guān)規(guī)定，本項目分別進行了結(jié)構(gòu)在小震（多遇地震）、中震（設(shè)防地震）、大震（罕遇地震）作用下的位移指標計算、承載力計算以及彈塑性變形驗算。同時還要進行多遇地震作用下的彈性時程補充計算、各地震作用下的樓板應(yīng)力分析以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件在罕遇地震作用下的抗震性能分析。

表2　

3.1多遇地震作用下的彈性分析

在多遇地震作用下，本項目分別采用SATWE及Etabs兩種三維空間結(jié)構(gòu)分析程序進行計算比較，按振型分解反應(yīng)譜法進行抗震計算及彈性時程補充分析計算。

按振型分解反應(yīng)譜法進行抗震計算時，基于《安評報告》提供的安評反應(yīng)譜數(shù)據(jù)與規(guī)范反應(yīng)譜相應(yīng)參數(shù)存在差別（見表3），在多遇地震作用下的計算分析中，分別按照規(guī)范反應(yīng)譜和安評反應(yīng)譜的地震動參數(shù)計算，計算結(jié)果對比見表3。

表3　

從結(jié)果可以看出，按照規(guī)范反應(yīng)譜計算所得到大部分樓層的×向和Y向結(jié)構(gòu)底部剪力比安評反應(yīng)譜計算結(jié)果要大。因此，在多遇地震作用下的計算分析中選擇規(guī)范反應(yīng)譜為計算反應(yīng)譜。對于35層以上樓層安評反應(yīng)譜計算結(jié)果稍大于規(guī)范反應(yīng)譜計算結(jié)果，設(shè)計時采用兩種計算結(jié)果包絡(luò)設(shè)計。

在進行彈性時程補充分析時，本工程選用《場地安評報告》提供的2條天然波及1條工模擬的加速度時程曲線進行彈性時程分析。將所采用各條地震波的地震影響系數(shù)調(diào)整為0.018g，即18cm/s2，地震波振型阻尼比ξ為0.05，地震波持續(xù)時間t實際地震為40s，人工模擬地震為28s，均大于結(jié)構(gòu)基本自振周期的5倍和15s。地震波的時間間距△t為0.02s。

彈性時程計算結(jié)果顯示，三條時程曲線補充計算結(jié)果滿足規(guī)范要求；三條時程曲線計算所得各樓層剪力包絡(luò)值大于規(guī)范反應(yīng)譜相應(yīng)值，故在后續(xù)設(shè)計過程中擬將反應(yīng)譜全樓地震力放大系數(shù)調(diào)整至1.1倍進行設(shè)計。

通過以上分析表明。在多遇地震及風(fēng)荷載作用下，各項控制指標均滿足性能水準1的抗震性能目標。

3.2設(shè)防烈度地震作用分析

在設(shè)防烈度即中震作用下，本項目分別按中震彈性和中震不屈服進行計算分析。均不慮風(fēng)荷載作用。中震彈性計算時，作用分項系數(shù)、材料分項系數(shù)、抗震承載力調(diào)整系數(shù)均與小震彈性計算相同。中震不屈服計算時，作用分項系數(shù)、材料分項系數(shù)、抗震承載力調(diào)整系數(shù)均取1。

通過設(shè)防烈度下的樓板應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)各樓板在樓板開洞周邊及核心筒中間走道墻肢邊緣有較大的應(yīng)力集中，但應(yīng)力超過混凝土抗拉強度標準值的區(qū)域大部分位于墻寬度范圍內(nèi)，其他區(qū)域均小于混凝土抗拉強度標準值；設(shè)計時將根據(jù)計算結(jié)果對核心筒范圍內(nèi)樓板采用雙層雙向配筋，確?；炷翗前鍍?nèi)的鋼筋在中震作用下，鋼筋不會達到屈服強度。

計算結(jié)果表明，在設(shè)防烈度地震作用下，結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件均處于彈性狀態(tài)?？蚣苤S壓比、核心筒剪力墻的混凝土壓應(yīng)力均能滿足設(shè)防烈度地震作用下的抗震設(shè)防目標要求。

3.3罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能分析

在罕遇地震作用下，本項目按SATWE大震不屈服計算分析和EPDA罕遇地震彈塑性動力時程分析分別進行了計算。其結(jié)果表明，少數(shù)框架梁抗彎屈服，抗剪不屈服；少數(shù)連梁抗彎屈服，個別連梁抗剪屈服?？蚣苤箯?、抗剪均為不屈服；個別底部加強部位剪力墻抗彎屈服，抗剪不屈服。滿足性能目標要求。

3.4罕遇地震作用下動力彈塑性時程分析

《高規(guī)》第5.1.13條規(guī)定：“B級高度的高層建筑、混合結(jié)構(gòu)和復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)，宜采用彈塑性靜力或彈塑性動力分析方法補充計算?！北竟こ虒儆诔^《高規(guī)》表3.3.1中A級高度但不超過B級最大適用高度的一般不規(guī)則結(jié)構(gòu)，有必要了解結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的特性。

本工程進行彈塑性分析時，選用了和《安評報告》反應(yīng)譜在統(tǒng)計意義上最為接近的三條地震波，1條人工波，2條天然波。計算結(jié)果表明：最大層間位移角均小于《高規(guī)》中層間彈塑性位移角限值（1/100）的要求，罕遇地震作用下的基底剪力約為多遇地震作用下的4～7倍。結(jié)構(gòu)基本保持彈性，只有少數(shù)耗能構(gòu)件進入塑性。豎向構(gòu)件均未進入塑性，少量連梁及框架梁出現(xiàn)塑性鉸，滿足預(yù)期性能目標。

4　結(jié)構(gòu)抗震措施

在設(shè)計過程中，從結(jié)構(gòu)計算分析、結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計和構(gòu)造加強措施等幾個方面，采取相應(yīng)設(shè)計對策和構(gòu)造加強措施，可以確保該工程安全、可靠、經(jīng)濟。

4.1計算分析

（1）采用兩種計算程序?qū)λ沁M行計算，互相校核整體指標，確保計算準確、可靠。

（2）對塔樓進行彈性時程分析補充計算，對彈性時程分析結(jié)果中局部層間位移較大的樓層在構(gòu)造和配筋上給予加強。

（3）嚴格控制作為主要抗側(cè)力構(gòu)件軸壓比。

（4）為保證結(jié)構(gòu)延性，計算構(gòu)件承載力時，滿足“強剪弱彎”的要求。

（5）進行彈塑性動力時程分析，并根據(jù)分析結(jié)果對薄弱部分或構(gòu)件進行構(gòu)造加強。

4.2結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計及構(gòu)造

（1）設(shè)置剪力墻底部加強部位，提高墻底部受彎和受剪承載力；在剪力墻底部加強部位及其上一層，設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，加大該部位的配箍率。

（2）設(shè)置約束邊緣構(gòu)件上兩層為過渡層，適當加強過度層的配筋。

（3）合理選取較規(guī)范限值稍大的剪力墻分布筋配筋率，保證核心筒剪力墻的足夠的抗剪承載能力。

（4）控制剪力墻底部加強部位軸壓比小于0.5。

（5）控制底部加強部位型鋼框架柱及普通鋼筋混凝土框架柱軸壓比小于0.7。

（6）對少量剪力過大的連梁，在連梁中間設(shè)置交叉暗撐，以滿足強剪弱彎的抗震概念設(shè)計要求。

（7）適當加強剪力墻豎向截面變化處分布鋼筋的配筋率。

5　結(jié)語

綜合以上整體分析結(jié)果表明：該結(jié)構(gòu)在小震基本組合下及風(fēng)荷載作用下，承載能力和變形能力均能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。時程分析與反應(yīng)譜之間具有一致性和規(guī)律性，符合工程經(jīng)驗及力學(xué)概念所做判斷；能夠滿足“小震不壞”的設(shè)防目標。在設(shè)防烈度地震作用下，結(jié)構(gòu)基本上處于彈性狀態(tài)；可滿足“中震可修”的設(shè)防目標。在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)層間彈塑性位移及層間位移角均滿足規(guī)范限值要求，主要豎向構(gòu)件未進入坍塌狀態(tài)；可滿足“大震不倒”的設(shè)防目標。

該結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，抗震設(shè)防總體上能達到性能目標C的要求，計算結(jié)果中各項指標均滿足現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)程的要求，驗證了結(jié)構(gòu)設(shè)計方案是安全、可靠、合理的。

[1]《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）.中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2]《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）.中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3]《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）.中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[4]李國勝.《高層混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計要點、難點及實例》.中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[5]徐培福.《復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計》.中國建筑工業(yè)出版社，2005.

TU973.2

A

1673-0038（2015）20-0015-03

2015-4-29

劉勇（1979-），男，工程師，本科，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。