高層建筑結構抗震設計分析

（開封大學，河南開封475004）

1 高層混凝土建筑抗震結構設計的必要性

高層混凝土建筑抗震結構設計的必要性首先表現(xiàn)在后期建筑物的長期應用中。因為高層建筑物往往涉及大量的使用人員，如果在應用過程中存在著明顯安全隱患，勢必會帶來較為惡劣的隱患，人民群眾的生命財產安全得不到較好保護。所以，地震災害作為不容忽視的一個危險來源，需要引起高層建筑設計人員的高度重視，在結構設計中充分考慮抗震設計需求，提升整體高層建筑物抗震性能。另外，對于未來我國高層混凝土建筑工程的發(fā)展而言，其結構往往更為復雜多樣，這種創(chuàng)新性發(fā)展不僅僅需要得到技術層面的支持，往往還需要重點從設計層面予以適應性調整，促使結構設計方案同樣也能夠緊跟整體高層建筑工程發(fā)展步伐?？拐鹪O計作為其中重要組成部分，同樣也應該加大關注力度，以求較好推動整個高層混凝土建筑行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展，避免該方面形成阻礙因素。

2 高層建筑結構抗震作用下的性能水準

2.1 小震作用下性能水準

這項性能水準對建筑結構的各項指標均提出了較高的要求，使周期比和位移比均滿足了建設規(guī)范，尤其是對于高層建筑結構的扭轉效應產生了良好的控制。每個樓層的側向剛度都達到了一定的標準，與相鄰上部樓層的側向剛度相比可以達到其標準的70%，而與相鄰三層樓層的側向剛度相比則可以達到其平均值的80%左右。建筑結構的各方向布置均符合規(guī)范規(guī)則，不存在薄弱層都有質量缺陷的樓層；同時各樓層之間的位移角的大小達到了建筑工程標準，而高層結構頂點的最大加速度限值也滿足了標準規(guī)范，此外從整體上來看無論是樓層結構的側向剛度還是舒適度都在合適的范圍內。當剛重比大于1.4時高層建筑結構的整體穩(wěn)定性可以得到有效的保障；而當剛重比大于2.7時，則不考慮重力二階效應。對建筑結構在該性能水準下的計算結果都滿足《高規(guī)》的相關要求，同時振型分解反應譜法和時程分析的結果具有相同的統(tǒng)計意義。在對高層建筑結構緩解地震作用時產生的效應進行計算時，按照工程要求已將結果取平均值，而對震型分解反應譜法計算結果則取的是較大值。

2.2 中震作用下性能水準

高層建筑物在該性能水準要求下具有較高的抗地震作用能力，在設防烈度的地震作用下建筑結構會進入非彈性工作階段。同時，地震對高層建筑結構體系的損壞程度不會進入不可修復的范圍，對于重要的結構構件例如支柱，剪力墻底部加強部位等建筑結構應該始終保持不屈服的狀態(tài)，這樣在地震作用結束之后便可以通過對建筑結構進行簡單的修復即可以繼續(xù)使用。一般情況下，中震的烈度比通常遇到的地震烈度約大1.55°，在進行計算分析時要將建筑結構的水平地震影響系數調整到0.23，相較于小震下的0.08有所升高。此外，對于建筑材料的強度也會有所提高，例如抗震承載力調整系數取1.0等。

2.3 大震作用下性能水準

通常建筑物在該性能水準下具有較高的抵抗地震作用能力，在地震中結構不會產生扭轉效應，同時建筑結構的最大側向位移和水平位移限值均滿足規(guī)范要求，并且在局部樓層梁上會出現(xiàn)塑性鉸對建筑結構進行加固。此外，在地震作用下建筑周圍的型鋼混凝土柱絕大部分都不會進入塑性階段，因此可以有效的確保底部的剪力墻始終保持著較好的承載能力。

3 結合工程實例的高層建筑抗震設計

3.1 工程概況

某超高層酒店總建筑面積約3.7萬m2，主樓地上31層，地下2層，地上部分1-2層為商業(yè)裙房，3-31層為酒店，地下室為兩層車庫。建筑高度為139.6m，屋頂構架結構頂標高達到151.5m，地上部分各層層高均為4.5m，地下室兩層層高分別為5.2m、3.5m，基礎埋深約為9.0m。本工程結構形式為框架-剪力墻結構，設計使用年限為50年，建筑安全等級為二級，建筑抗震設防分類為丙類，抗震設防烈度為6類度，設計地震分組為第一組，場地別為II類，設計基本加速度值為0.05g，場地特征周期為0.35s，框架及剪力墻抗震等級均為二級，整體計算嵌固端為地下室頂板。本工程地上平面呈內角為115度的L形，典型平面柱網為4.8mX6.7m及7.0mX7.9m，。其中二層平面L形拐角處因酒店大堂要求通高大空間而導致大范圍樓板開洞且無框架梁拉結；標準層因酒店房間功能單一，故除開拐角處、兩個核心筒、兩側山墻面布置有剪力墻外，其余均為框架+整跨樓板。

3.2 結構超限分析判斷

本超高層酒店采用框架-剪力墻結構體系，其抗側力體系主要由剪力墻形成第一道防線，混凝土柱形成第二道防線，水平設置連梁和框架梁形成主要耗能體系。酒店標準層平面尺寸為（41.5m+35.0m）x17.5m，結構高寬比約為5.46（按最不利等效寬度25.57m計算），結構高度139.6m大于130m，即超過規(guī)范規(guī)定的鋼筋混凝土框剪結構的A級高度限值，屬于B級高度高層。

根據YJK2.0.3模型計算結果，結合建質[2015]67號《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》中的條文規(guī)定，結構考慮偶然偏心的扭轉位移比為1.39＞1.2；L形的平面形狀導致偏心率大于0.15、平面凹凸尺寸大于相應邊長的30%；二層拐角處的門廳大堂開洞和電梯井洞太近，導致拐角處樓板有效寬度小于50%；同時二層的門廳大堂開洞也產生了局部的穿層柱。

綜上所述，本結構存在：1a扭轉不規(guī)則、1b偏心布置、2a凹凸不規(guī)則、3樓板不連續(xù)以及7局部穿層柱的問題，同時具有I類超限分類表中四項不規(guī)則，屬于B級高度超限高層結構。

4 抗震加強措施

針對本工程的超限情況以及結構布置，在結構抗震設計中，采取了多項加強措施以提高重要構件及節(jié)點等的設計標準。

4.1 針對二道防線的措施

本工程剪力墻作為結構抗側力的第一道防線，第二道防線為鋼筋混凝土柱與外框鋼筋混凝土梁組成的鋼筋混凝土框架，為保證第二道防線的可靠性，采取如下措施：（1）在盡可能控制經濟性能并不影響建筑功能的前提下，采取控制柱軸壓比、增大柱截面與加大外框梁截面的方式以提高外框架的抗側剛度，增加外框架的剪力分擔比。（2）通過框架剪力按0.2V0與1.5Vf，max調整的方式，提高外框柱強度儲備，保證二道防線安全。

4.2 針對剪力墻的加強措施

為增強剪力墻的受力性能，改善剪力墻的延性，采取如下措施：（1）嚴格控制加強區(qū)墻體在重力荷載代表值下的軸壓比在0.6以下，對樓板洞口周邊的剪力墻適當加厚。（2）在較長墻肢中設置結構洞口，以減小單片墻肢的長度和剛度。（3）底部加強區(qū)域內，提高角部墻體的約束邊緣構件配筋率，提高加強區(qū)墻體的承載力和延性。（4）嚴格控制剪力墻截面的剪應力水平，適當提高底部加強區(qū)剪力墻水平鋼筋的配筋率，以提高剪力墻的抗剪承載力。（5）底部樓板洞口周邊剪力墻加強平面外墻肢約束，以提高其墻體穩(wěn)定能力。（6）在不影響建筑功能的情況下，剪力墻設置邊框柱，并安規(guī)范要求設置暗梁。

4.3 針對外框柱的加強措施

（1）在盡可能控制經濟性能并不影響建筑功能的前提下，適當加大柱的截面，特別是樓板開洞周邊的框架柱，嚴格控制抗剪截面控制條件。（2）嚴格控制柱在地震作用下的軸壓比，同時控制框架柱截面的剪應力水平。（3）底部加強區(qū)的框架柱適當提高縱向鋼筋的截面面積（不小于柱截面面積的1.0%），增加框架柱剛度。（4）越層柱全部采用加芯柱的鋼筋混凝土柱，適當提高芯柱的配筋率，并嚴格控制其重力荷載代表值下的軸壓比，適當提高越層柱箍筋的配筋率，對箍筋全高加密處理。

4.4 針對樓板的加強措施

（1）適當增加中庭大堂洞口周邊相關區(qū)域及相鄰層樓板厚度和配筋率，并采用雙層雙向配筋加強、增設放射筋及角筋等加強措施。（2）對電梯井前室、拐角部位樓板適當加厚，并采用現(xiàn)澆混凝土和雙層雙向配筋加強。（3）地下室頂板作為嵌固端，板厚不小于180mm，配筋雙層雙向且配筋率不小于0.25%。（4）中間拐角部位樓板厚度和配筋適當加強，特別是在L形平面內凹角部位增設結構板，并加強構造處理。

4.5 針對框架梁的加強措施

（1）二層中庭洞口外邊框梁在大震下可能存在全截面受拉，故采取增大截面尺寸、梁全長通長配筋、箍筋全長加密的措施。（2）標準層外框梁受扭嚴重，采取箍筋全長加密和設置抗扭腰筋的措施增強其抗扭能力。（3）屋頂構架層高度較高，且無樓板拉結，鞭梢效應較大，采用增強框架配筋率、鋼筋采用機械連接的措施。

4.6 針對偏心布置的加強措施

主樓平面不規(guī)則，中部剪力墻主要集中在樓梯與電梯間一側，層偏心率大于0.15，采取如下加強措施：（1）計算計入扭轉影響，嚴格控制在規(guī)定的水平力及偶然偏心作用下樓層兩端彈性水平位移（或層間位移）的最大值與其平均值的比值大于1.5。（2）適當增加外框梁剛度和少墻側框架柱截面及配筋。

5 結論

從上述對本工程的超限判定和抗震加強措施中，我們不難發(fā)現(xiàn)一些共性的問題和解決方法：（1）對總高較高（如B級高度）的框架-剪力墻結構，底部加強區(qū)豎向構件的承載力及延性至關重要，一般都需要嚴控軸壓比、適當加大配筋等方式來加強處理；同時還要通過長墻開洞及加大柱剛度等方式來合理調節(jié)墻與柱的剪力分擔，確保第一道防線的同時加強第二道防線。（2）對平面呈L形的異形結構，往往都存在偏心布置及凹凸不規(guī)則的問題，計算過程中周期及位移等指標也較難算過，此時可在L形兩端設剪力墻、加強拐角處樓板以及適當提高外框架剛度。（3）對于樓板不連續(xù)及樓板開大洞的位置，則可通過加強洞口周邊所有構件剛度、加大相鄰樓層相同位置的板厚及配筋等方式來處理。