高層建筑結(jié)構抗震超限設計研究

何雄彬

（中交廣州水運工程設計研究院有限公司，廣東 廣州 510220）

隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，高層建筑得到了廣泛建設?？紤]到建筑抗震性能要求，需要對建筑高度及相關結(jié)構指標進行限定，以免建筑因遭遇地震而發(fā)生嚴重損壞，給人們的生命、財產(chǎn)安全帶來較大威脅。因此，還應加強高層建筑結(jié)構抗震超限設計研究，確保人員采用科學方法完成建筑結(jié)構設計，繼而為建筑的建設和使用安全提供保障。

1 高層建筑結(jié)構抗震超限設計原則及要點

1.1 設計原則

（1）能量原則。在結(jié)構抗震設計方面，需要根據(jù)性能目標對結(jié)構在地震地面運動下的預期性能水準進行設定。按照《建筑地震破壞等級劃分標準》【（90）建抗字第377號】等相關規(guī)范，得到各地震水準下建筑結(jié)構預期性能目標，如表1所示。遵循能量原則，在抗震設計中需要加強結(jié)構安全性評價。在構件擁有較高承載力的情況下，可以降低延性要求，達到性能1多處于彈性狀態(tài)，處于性能2水平可能發(fā)生屈服，性能進一步下降會發(fā)生塑性變形，在性能4狀態(tài)下遭遇罕見地震將接近嚴重破壞水平[1]。在超限設計中還要做到合理選用性能目標，對結(jié)構不規(guī)則等因素進行充分考量。

表1 各地震水準下建筑結(jié)構預期性能目標

（2）目標原則。在結(jié)構抗震超限設計中，還要滿足三水準目標原則，確保結(jié)構設計達到檢查標準。從總體上來看，需要達到3個層次的目標。首先，建筑遭遇小型地震后，應實現(xiàn)無需處理即可直接使用的目標。具體而言，在發(fā)生強度較小的地震后，建筑結(jié)構不會出現(xiàn)裂縫或損壞等問題，事后無需維修就能正常使用建筑各項功能。其次，需要達到中震可修的目標，即在建筑所在地區(qū)發(fā)生破壞性地震后，由于結(jié)構本身抗震等級與發(fā)生的地震能夠達到大致相當?shù)乃?，所以結(jié)構只會發(fā)生一定程度的破壞。針對這一問題，通過適當維修和處理能夠使建筑功能陸續(xù)恢復，繼而使建筑能夠得到正常使用。最后，應遵循大震不倒原則，即無論發(fā)生多強的地震，建筑物都不會出現(xiàn)倒塌問題。達到這一目的，盡管建筑難以通過維修恢復原本功能，但能避免因建筑物倒塌而帶來重大人員傷亡。

（3）方法原則。在實踐設計活動中，要遵循一定的方法原則。隨著建筑業(yè)的發(fā)展，高層建筑功能、結(jié)構日漸復雜，結(jié)構抗震性能容易受到多方因素影響，在超限設計時還要對各建筑結(jié)構展開單獨分析，通過精確分析對設防標準進行細化和量化。遵循性能分辨原則做好性能指標選擇，能夠使結(jié)構可靠性得到保證。設計活動應當劃分為兩個階段，第一階段對小規(guī)模地震狀態(tài)下的建筑彈性展開計算，根據(jù)結(jié)果范圍施加地震效應與荷載力，加強結(jié)構承載力分析，然后根據(jù)抗震性能要求進行系數(shù)調(diào)整，實現(xiàn)截面合理設計，加強各彈性層位移角控制，能夠使建筑抗震性達到基本抗震性要求。將前一個階段的分析結(jié)果當成依據(jù)，合理進行材料選擇，并采用抗震措施強化對建筑彈性、變形等方面的控制，能夠使建筑滿足強地震狀態(tài)下抗變形要求。遵循強柱弱梁和強剪弱彎這兩個高層建筑結(jié)構設計基本原則，能夠通過增強結(jié)構剛度和強度促使超限設計朝著合理化的方向發(fā)展，繼而使建筑抗震性得到提升。

1.2 設計要點

（1）實施規(guī)則化設計。針對高層建筑實施結(jié)構抗震超限設計，還應通過規(guī)則化設計加強結(jié)構質(zhì)量控制。在對結(jié)構性能展開綜合分析基礎上，應合理進行平面規(guī)劃，使結(jié)構功能布局保持合理。結(jié)合工程實際情況進行結(jié)構優(yōu)化，還應保證結(jié)構扭轉(zhuǎn)剛度在可靠范圍內(nèi)，避免因結(jié)構發(fā)生扭轉(zhuǎn)造成結(jié)構整體性被破壞。實施規(guī)則化設計，能夠使結(jié)構保持均勻、對稱，正確、合理地進行剪力墻分布。如果未能做到合理布置剪力墻結(jié)構，將造成薄弱位置在地震發(fā)生時出現(xiàn)變形、位移等問題，造成結(jié)構受到嚴重破壞。在建筑樓層較多的情況下，保證結(jié)構得到規(guī)則化設計能夠降低因外部應力突增而發(fā)生結(jié)構破壞的可能性，使建筑發(fā)生的破壞達到最低。

（2）把握平、豎面規(guī)則。結(jié)合結(jié)構抗震超限設計要求，還要把握建筑平、豎面規(guī)則。在運用平面規(guī)則的結(jié)構設計環(huán)節(jié)，應采用彈性樓蓋模型，加強局部彈性和分塊剛性分析，確定結(jié)構發(fā)生的耦聯(lián)效應。在建筑樓板不連續(xù)或結(jié)構不規(guī)則的情況下，需要加強樓板平面剛度變化分析，確定應力集中或薄弱位置，采取增加配筋或增厚方式對結(jié)構進行加固，促使結(jié)構抗震性得到提高。針對樓板連接位置，還應完成變形縫的設置，完成多個子結(jié)構對稱的平面結(jié)構布置，使抗側(cè)力構件充分發(fā)揮扭轉(zhuǎn)效應，促使外圍豎向構件獲得更強抗側(cè)剛度。采用豎面規(guī)則進行結(jié)構超限設計，還應加強立面收進引發(fā)的問題研究。采用臺階形結(jié)構，對立面進行多次內(nèi)收，能夠避免位移沿著豎直方向發(fā)生突變，達到有效控制結(jié)構扭轉(zhuǎn)效應的目的。強化豎向構件偏心控制，可以避免底部結(jié)構因上部扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生過大作用力。在立面需要開大洞的情況下，還應加強洞口及周邊結(jié)構質(zhì)量控制，從而通過強化結(jié)構達到結(jié)構抗震性要求。

（3）加強關鍵要素控制。想要通過超限設計使建筑結(jié)構的抗震性能得到提高，還要加強層間位移等關鍵因素控制。從地震狀態(tài)下層間位移發(fā)生情況來看，其主要受到平面規(guī)劃的影響，因而采用的鋼筋混凝土結(jié)構應從施工材料選擇、工程高度、價格體系等角度考慮層間位移控制問題，做到平面規(guī)劃。在實踐設計工種中，還要加強結(jié)構層面優(yōu)化設計，保證各結(jié)構單元擁有相同的單元和地基性質(zhì)，保證結(jié)構形式一致。采用位移結(jié)構抗震法實施超限設計，能夠使結(jié)構變形達到設計要求。采取科學的減震措施，加強結(jié)構承力性驗證，同時加強結(jié)構剛度控制，能夠使結(jié)構抗震性得到增強。實際建筑結(jié)構剛度變化具有周期性，也將給結(jié)構位移帶來影響，從層間位移控制角度對截面尺寸、剪力墻結(jié)構位置等實施優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)抗震性能設計目標。

2 高層建筑結(jié)構抗震超限設計內(nèi)容和方法

2.1 設計內(nèi)容

高層建筑作為10層以上的建筑，需要以抗震為性能基礎實現(xiàn)建筑結(jié)構設計，確保主體結(jié)構功能在地震荷載作用下能夠維持正常。按照《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011—2010）要求，采用混凝土框架搭建墻體結(jié)構的高層建筑工程不能超出規(guī)定高度范圍，確保結(jié)構能夠發(fā)揮抗震作用；采用筒體和鋼筋混凝土結(jié)構，抗震強度需要達到9級，高度能夠達到規(guī)定限高的最高值，如果抗震等級為8級，高度為規(guī)定的30%，抗震等級在6～7級只能達到規(guī)定高度的20%[2]。除了對建筑高度進行限定，還設置了寬高比、體積外形規(guī)則度等數(shù)據(jù)，因此需要加強建筑的超限設計。從內(nèi)容上來看，需要完成結(jié)構分析與判別，應將結(jié)構類型、抗震標準、規(guī)則性、高度等當成依據(jù)，明確設計目標任務，然后對抗震性設計方法必要性進行驗證。確定性能目標后，需要對設防強度、施工成本、損壞修復等各項因素進行考量，完成選取目標的論證。在地震地面運動難以分析的情況下，還應實施非線性分析，結(jié)合經(jīng)驗做好參數(shù)與模型的選擇。對高層建筑進行超限設計，需要考慮結(jié)構自振周期較長，同時可能受不規(guī)則結(jié)構影響，還要傾向于選擇偏保守的目標。在深入分析階段，應重點加強薄弱位置抗震性分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出加強對策，通過驗證薄弱位置抗震性，能夠確認結(jié)構設計能否實現(xiàn)目標。在超限設計分析的過程中，還應對超過規(guī)范的適用范圍和結(jié)構不規(guī)則程度進行分析，確定場地、地震參數(shù)等條件；完成結(jié)構時程、彈塑性、靜力等各項指標計算后，能夠完成結(jié)構合理性分析，找到強地震作用下的結(jié)構關鍵和薄弱位置。如果建筑結(jié)構較為新穎，難以對抗震計算分析結(jié)果進行判斷，還應提出必要的驗證依據(jù)。從總體上來看，應確保結(jié)構抗震性達到三水準要求。

2.2 設計方法

（1）目標選定。實際在高層建筑結(jié)構抗震超限設計時，需要結(jié)合高度、設防烈度、超限高等進行性能目標選擇，綜合考慮結(jié)構建設成本、安全性等情況。結(jié)構延性變形受到超限程度影響，與結(jié)構承載力之間存在反比關系。在結(jié)構延性要求較低的情況下，結(jié)構設計需提出較高承載力要求，否則結(jié)構需要保持較高延性變形能力。針對建筑結(jié)構薄弱位置，應提高承載力和變形能力。按照《高層建筑混凝土結(jié)構技術規(guī)程》（JGJ 3—2010）規(guī)定，如果高度超出B級，關鍵和薄弱構件設計需要達到性能2的水平；如果存在多個不規(guī)則指標超限值，同時結(jié)構高超B級較多，重要部位需要達到大震不屈服水平[3]。超限值較小時關鍵構件可以達到性能3水平，高度超A級可以達到性能4水平，同時薄弱構件滿足彈塑性位移限值要求。

（2）結(jié)構計算。在結(jié)構計算方面，需要實現(xiàn)構件性能水準要求量化，保證各指標達到要求。具體來講，就是要加強構件彈性承載力、屈服承載力的分析，在構件處于屈服狀態(tài)后應滿足受剪截面限制要求[4]。構件承載力需要根據(jù)水平和豎向地震系數(shù)和結(jié)構重力荷載等因素確認，滿足：

式中：Rd是構件承載力設計值；γRE是用于對構件承載力進行調(diào)整的抗震系數(shù)；γEh和γEv分別為水平和豎向的地震分項系數(shù)；分別為對應地震作用標準值的構件內(nèi)力，無需考慮抗震等級增大問題；指的是重力荷載值效應；γG為對應系數(shù)。構件屈服承載力除了與水平和豎向地震作用標準內(nèi)力值相關，同時也與重力因素相關，滿足：

式中：Rk為按照標準材料強度計算得到的截面標準承載力，同樣需要采用標準地震作用值計算，確保構件擁有足夠大的屈服承載力。如果建筑采用的構件屬于能耗型，需要加強水平地震作用分析。因為在組合工況條件下，該類構件將成為主要的可變作用部分。對屈服狀態(tài)下的構件截面限制條件展開分析，可以發(fā)現(xiàn)采用鋼筋混凝土制作的構件滿足：

式中：V*Ek和VGE分別為地震作用下標準構件剪力和構件剪力；fck為混凝土軸心標準拉壓強度；bh0為構件尺寸。如果建筑結(jié)構采用鋼筋混凝土組合構件，需要滿足：

式中：fspk為剪力墻鋼板標準強度；Asp為截面面積；fak為剪力墻端部型鋼標準強度；Aa為對應截面面積。在構件剪力分析方面，還要加強彈塑性分析，以免結(jié)構因脆性出現(xiàn)受剪破壞問題，繼而使結(jié)構安全性得到保證[5]。

（3）結(jié)構預期。完成結(jié)構抗震超限設計后，需要對結(jié)構抗震性能進行驗證，確定構件性能是否可以達到預先設定的性能水準要求。結(jié)構抗震性能包含4個性能水準，對應構件性能變化預期結(jié)果存在一定差異，如表2所示。運用結(jié)構計算方法加強結(jié)構承載力判別，完成不同水準下抗震性能的量化分析，能夠使構件達到理想狀態(tài)，繼而使結(jié)構超限設計達到抗震設防要求[6]。在整體結(jié)構抗震性達到要求后，需要采用超限處理措施對薄弱或關鍵部位進行適當加固處理。結(jié)合以往工程經(jīng)驗可知，針對柱和剪力墻應保證正面承載力、抗剪承載力均能達到中震要求，使結(jié)構保持一定屈服性能和彈性模量。結(jié)構豎向和水平分布筋底部配筋率至少達到0.4%，邊緣構件約束筋至少達到1.2%，體積配筋率至少為1.8%[7]。在雙層樓板的雙向布置中，薄弱部位單層配筋率至少為0.25%，抗剪力和抗拉力達到中震要求。針對錯層連接位置，還應保證箍筋和腰筋的配筋率至少分別達到0.5%和0.4%。

表2 地震發(fā)生后不同性能水準結(jié)構性能變化預期

3 高層建筑結(jié)構抗震超限設計的實踐研究

3.1 工程概況

某高層辦公樓建筑高150m，面積為4.6萬m2。地上部分共33層，2～20層和22～32層為辦公層，層高分別為3.8m和5.4m；首層和最頂層為商用層，層高5.4m；中間層為避難層和設備層，層高3.0m。建筑地下部分2層，層高4m，為地下室、設備間和停車庫。工程采用框架核心筒結(jié)構，同時承受風力、豎向力與地震作用帶來的水平剪切力。其中，核心筒是主要承力結(jié)構，承擔抗側(cè)力、基底剪力和傾覆彎矩帶來的作用力，框架為次要承力結(jié)構。建筑主體結(jié)構標準層采用規(guī)則結(jié)構，高寬比為4.14，能夠達到B級高的最高限值要求，標準層平面布置圖如圖1所示。建筑抗震烈度為7度，場地為Ⅱ類，粗糙度B類，周期為0.35s，最大風壓達0.35kN/m2。

表3 某辦公樓建筑結(jié)構抗震超限設計性能目標

3.2 結(jié)構設計

從地質(zhì)勘察結(jié)果來看，其地質(zhì)條件良好。土層分布依次為黏土、強風化泥巖和中風化泥巖，厚度分別為5.9～11.1m、3.1～5.8m、≥5m，承載力分別能夠達到280kPa、380kPa、800kPa，抗浮水位在地下1m以下位置。在基礎設計方面設置人工挖孔嵌巖樁，將中風化泥巖當成是持力層，樁端進入深度至少為樁徑的0.4倍。在單樁布置過程中，需要完成承載力試驗?？蚣苤捎靡恢粯恫贾梅绞?，柱底最大軸力為27000～36000kN。核心筒豎向荷載為建筑重力的50%，基礎底部軸力達435000kN。布置16根樁，單樁承載力達到27500kN。主體結(jié)構底板厚為2.1m，其余位置為0.6m，采用C35混凝土，樁與筏板間基礎梁為0.6m×1.2m，保證結(jié)構整體性。

圖1 建筑主體結(jié)構標準層平面布置圖（單位：mm）

在上部結(jié)構設計中，首先需要完成高度超限設計。由于建筑高超過了A級建筑最大高度限值的15%，未達到B級高度限值，因此為B級高層建筑，在結(jié)構抗震超限設計方面需達到相應的性能目標，如表3所示。實際在超限設計中，可以利用SATWE和MIDASGEN軟件完成多遇地震作用下的結(jié)構彈性分析，利用時程分析法完成補充計算，開展結(jié)構靜力彈塑性分析，完成結(jié)構抗震性驗證。針對建筑底部結(jié)構，還應加強剪力墻在地震作用下的抗剪力分析，確認能否滿足不屈服和截面剪應力要求。在建筑樓板位置，存在較大開洞，且局部位置不連續(xù)，容易導致部分遷躍層柱產(chǎn)生。針對薄弱位置進行抗震性分析，還應利用軟件程序?qū)前寮俣閺椥园?，然后確定柱剪力能否達到普通柱設計要求。

3.3 性能分析

對超限設計得到的結(jié)構進行抗震性分析，需要從軟件中調(diào)取不同力學模型分別計算。采用不同模型分析得到的結(jié)果大致相同，如表4所示。在建筑底部位置，出現(xiàn)了最大位移比達1.23的情況，而規(guī)范限值為1.2。出現(xiàn)這種情況，主要是由于底部發(fā)生的位移較小，造成了扭轉(zhuǎn)規(guī)則結(jié)構的產(chǎn)生。由此可見，建筑底部剪重比無法達到性能要求，還應按最小值對層剪力進行調(diào)整。結(jié)合建筑場地特性完成2條地震波的選擇，通過時程分析可以發(fā)現(xiàn)，基底剪力超出反應譜的65%，選擇3條則將超過80%。通過振型分解可以發(fā)現(xiàn)，頂部樓層剪力出現(xiàn)超限情況。

在中震作用下展開分析，能夠得到最大的地震影響系數(shù)為0.23，X向最大層間位移角在25F，數(shù)值為1/292，Y向也在25F，為1/300。從頂點最大位移值來看，X向和Y向分別為383.4mm、400.5mm，底部各關鍵和薄弱部位能夠達到抗震性要求。在大震作用下展開分析，需要利用SATWE完成靜力彈塑性分析，加強結(jié)構塑性鉸形成規(guī)律把握，繼而使豎向構件抗震性得到較好反映。遭遇罕遇地震結(jié)構墻肢剪力與抗剪承載力的比值均比1大，因此能夠滿足結(jié)構抗震性能要求，如圖2所示。

表4 小震作用下不同軟件的結(jié)構抗震性計算結(jié)果

圖2 罕遇地震下墻肢剪力與抗剪承載力的比值

在地震作用加載過程中，初期連梁最早發(fā)生塑性鉸，剪力墻并未發(fā)生損傷。持續(xù)進行罕遇地震作用，局部剪力墻發(fā)生塑性損傷，主體墻肢并未損傷。樓層混凝土柱也未出現(xiàn)塑性狀態(tài)，能夠保持彈性，剛度無明顯變化。因此從總體上來看，除了建筑底部和樓板的局部位置，工程其他結(jié)構均能滿足抗震性要求。

3.4 超限加強

在超限設計中，還要在保證結(jié)構安全的基礎上實現(xiàn)各指標量化，保證結(jié)構設計的經(jīng)濟性與安全性。結(jié)合結(jié)構性能分析結(jié)果，針對底板和樓板局部發(fā)生的超限問題，還要采取相應超限加強措施，以免結(jié)構的安全性受到影響。針對樓板局部不連續(xù)的位置，還應將厚度增加至150mm，使配筋率至少達到0.25%。針對躍層柱位置，需要加強中震彈性設計優(yōu)化。針對建筑底板結(jié)構，還應采用增設型鋼方法提高加強區(qū)混凝土柱結(jié)構穩(wěn)固性。將該措施延伸至基礎頂，能夠使加強區(qū)豎向抗側(cè)力得到提高。針對核心筒底部加強區(qū)位置，還應實施高度延伸，達到0.25軸壓比的位置。結(jié)合不同抗震目標對不同位置采取超限措施，通過抗震性計算可以發(fā)現(xiàn)，最終結(jié)構能夠獲得良好抗震性能。

4 結(jié)論

在高層建筑結(jié)構抗震超限設計中，考慮到結(jié)構抗震性能狀態(tài)復雜，為保證建筑結(jié)構可靠性，要對容易產(chǎn)生較大內(nèi)力和變形的薄弱部位進行超限分析。針對不同部位的結(jié)構，還要做到合理選定性能目標，然后采取相應的抗震加固措施，促使結(jié)構整體擁有較好抗震性能。從工程設計實踐來看，加強各項性能指標的精確分析，能夠?qū)崿F(xiàn)合理超限設計，最終使結(jié)構的經(jīng)濟性和安全性同時得到保證。