某高層建筑的結(jié)構(gòu)超限設(shè)計(jì)可行性分析

溫東平

（廣州城建開發(fā)設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州 510000）

高層建筑結(jié)構(gòu)超限設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行有效的把控，按照設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)，同時(shí)計(jì)算分析結(jié)構(gòu)超限，確保超限設(shè)計(jì)可行。

1 工程概況

項(xiàng)目位于廣州新塘鎮(zhèn)，共5 棟超限高層剪力墻結(jié)構(gòu)住宅建筑，其中三棟為50 層，高度為163.35m；兩棟為44 層，高度為145.95m。本超限可行性報(bào)告僅取其中一棟（50 層）進(jìn)行超限設(shè)計(jì)分析論證。

超限情況：B 級(jí)高度超限、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、樓板不連續(xù)。

2 結(jié)構(gòu)超限計(jì)算分析措施

①按廣東省《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（DBJ/T 15－92—2013）（以下簡(jiǎn)稱省《高規(guī)》）采用抗震性能設(shè)計(jì)，通過對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震、中震和大震下的計(jì)算分析，保證整體結(jié)構(gòu)達(dá)到性能C的抗震性能目標(biāo)；②取規(guī)范反應(yīng)譜作為小震計(jì)算分析的參數(shù)，采用YJK 和Building 兩個(gè)不同的力學(xué)模型的空間結(jié)構(gòu)分析程序進(jìn)行比對(duì)，判斷計(jì)算模型的合理性；③選取2 組人工地震波和5 組實(shí)際地震記錄波對(duì)結(jié)構(gòu)做小震作用下的彈性時(shí)程分析，取其平均值與CQC 法兩者間的較大值用于構(gòu)件設(shè)計(jì)；④采用YJK 進(jìn)行中震作用下的性能分析；⑤采用YJK 進(jìn)行大震作用下的性能分析；⑥罕遇地震作用下，采用YJK 進(jìn)行靜力彈塑性分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)能否滿足大震階段的抗震性能目標(biāo)，并尋找薄弱部位，對(duì)薄弱部位制定相應(yīng)的加強(qiáng)措施；⑦整體穩(wěn)定性驗(yàn)算；⑧核心筒周邊樓板大震及風(fēng)荷載下的應(yīng)力分析；⑨超限加強(qiáng)措施。

3 設(shè)計(jì)條件

（1）地震作用參數(shù)根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）（以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》）第 4.3.7 條規(guī)定取值。

（2）風(fēng)荷載根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）（以下簡(jiǎn)稱《荷規(guī)》）取值，考慮風(fēng)力相互干擾效應(yīng)系數(shù)1.05。

（3）樓面荷載按《荷規(guī)》取值。

4 抗震性能設(shè)計(jì)

根據(jù)本工程的抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)類型、超限情況，按照省《高規(guī)》第3.11 節(jié)，設(shè)定結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)為性能C，小震性能水準(zhǔn)為1，中震為3，大震為4。

5 抗震性能設(shè)計(jì)

（1）采用YJK 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體彈性靜力分析，同時(shí)采用Building 對(duì)計(jì)算結(jié)果（見表1）比較分析，從結(jié)果可知：兩個(gè)軟件計(jì)算結(jié)果基本接近，計(jì)算結(jié)果合理有效，可作為設(shè)計(jì)依據(jù)；層間位移角滿足省《高規(guī)》第3.7.3 條的要求；側(cè)向剛度比滿足《高規(guī)》第3.5.2條的要求；樓層受剪承載力比滿足省《高規(guī)》第3.1.4 及3.5.3 條要求；剛重比大于1.4，滿足省《高規(guī)》第5.4.4 條要求，X 向小于2.7，考慮重力二階效應(yīng)。

表1 兩個(gè)計(jì)算模型結(jié)果

（2）根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016 年版）》（GB 50011—2010）第5.1.2 條和《高規(guī)》第4.3.4 條規(guī)定，采用時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下補(bǔ)充計(jì)算。選用不少于5 組實(shí)際強(qiáng)震記錄和2 組人工模擬的加速度時(shí)程曲線，計(jì)算結(jié)果取時(shí)程法的平均值和振型分解反應(yīng)譜法的較大值，多組時(shí)程曲線的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符。彈性時(shí)程分析時(shí)，每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，多條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%。所選地震波與規(guī)范反應(yīng)譜在統(tǒng)計(jì)意義上相符，滿足《高規(guī)》4.3.5 的要求；時(shí)程曲線與CQC 法計(jì)算產(chǎn)生的基底剪力分析詳見表2。

表2 基底剪力

6 中震性能分析

根據(jù)廣東省《高規(guī)》第3.11.3 條規(guī)定，對(duì)中震的第3 性能水準(zhǔn)采用等效彈性方法計(jì)算，控制大部分構(gòu)件在中震下的受彎及受剪承載力滿足第3 水準(zhǔn)的要求，施工圖設(shè)計(jì)時(shí)取豎向構(gòu)件及核心筒斜梁的中震驗(yàn)算結(jié)果與小震彈性計(jì)算結(jié)果的大值進(jìn)行設(shè)計(jì)。中震X 向基底剪力10182.11，Y 向11636.36，與小震之比X向?yàn)?2.70，Y 向?yàn)?2.77.

7 中震性能分析

根據(jù)廣東省《高規(guī)》第 3.11.3 條規(guī)定，第 3、4、5 性能水準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)宜以大震彈性地震力控制豎向構(gòu)件的受剪截面，以保證不發(fā)生剪切破壞。采用YJK 進(jìn)行大震作用下的等效彈性計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示各墻柱及核心筒周邊斜梁的組合剪壓比均滿足規(guī)范要求，在大震作用下底部加強(qiáng)部位剪力墻的豎向構(gòu)件及核心筒周邊梁的受剪截面均滿足規(guī)范要求。

8 大震彈塑性分析（PUSHOVER）

按省《高規(guī)》第3.11.4 條規(guī)定，對(duì)高度不超過300m 的超高層建筑，如結(jié)構(gòu)較規(guī)則，且基本振型的質(zhì)量參與系數(shù)不小50%的結(jié)構(gòu)可采用靜力彈塑性方法。

Pushover 分析結(jié)果表明，罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的彈塑性層間位移角能滿足小于1/150（最大為X 向1/377）的要求，基底剪力也在合理范圍內(nèi)（X 向18583.96；Y 向19911.39；與小震之比X向?yàn)?.94；Y 向?yàn)?.74）；性能點(diǎn)處各構(gòu)件的性能狀態(tài)表明局部剪力墻處于輕微損傷狀態(tài)，大部分剪力墻完好；結(jié)構(gòu)具有較大的承載力及較好的延性，能夠滿足“大震不倒”的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)。

9 結(jié)構(gòu)舒適度驗(yàn)算

根據(jù)《高規(guī)》第3.7.6 條，高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足風(fēng)振舒適度要求，在10 年一遇風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)順風(fēng)向和橫風(fēng)向振動(dòng)最大加速度計(jì)算值不應(yīng)超過0.15m/s2限值（計(jì)算最大值0.086m/s2），滿足規(guī)范要求。

10 整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

本工程建筑高寬比5.25 且無地下室，基礎(chǔ)埋深不滿足規(guī)范要求。補(bǔ)充在風(fēng)荷載、小震、中震和大震作用下整體抗傾覆驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)在所有工況下均未出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)，滿足要求。

11 風(fēng)荷載、大震作用下核心筒及連接薄弱處樓板應(yīng)力分析

風(fēng)荷載、大震作用下核心筒及連接薄弱處樓板應(yīng)力分析結(jié)果滿足大震抗剪不屈服，抗彎不屈服。

12 超限加強(qiáng)措施

（1）對(duì)底部加強(qiáng)區(qū)域損傷比較集中的墻體，底部加強(qiáng)區(qū)分布筋配筋率提高到0.3%，約束邊緣構(gòu)件最小構(gòu)造配筋率提高至1.2%；非底部加強(qiáng)區(qū)外圍墻肢構(gòu)造邊緣構(gòu)件配筋率提高至0.7%，箍筋豎向間距提高至150。

（2）錯(cuò)層樓板不連續(xù)處：按實(shí)際樓層錯(cuò)層高度建立模型，按通高剪力墻考慮，按中震及大震控制剪力墻的剪壓比，錯(cuò)層處墻柱抗震等級(jí)提高到一級(jí)，墻體分布鋼筋的最小配筋率取為0.5%。錯(cuò)層處樓板厚120mm 并采用雙層雙向通長(zhǎng)配筋。

（3）對(duì)核心筒與周邊結(jié)構(gòu)連接薄弱，加強(qiáng)樓板厚度至150mm，采用雙層雙向通長(zhǎng)配筋，配筋率不小于0.25%。

13 結(jié)論

綜上所述，建筑結(jié)構(gòu)雖存在高度超限、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、樓板不連續(xù)的超限情況，但設(shè)計(jì)中充分利用概念設(shè)計(jì)方法，對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)定抗震性能化目標(biāo)，并在抗震設(shè)計(jì)中，采用多種程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性、彈塑性計(jì)算分析，除保證結(jié)構(gòu)在小震下完全處于彈性階段外，補(bǔ)充關(guān)鍵構(gòu)件在中震和大震下的驗(yàn)算。計(jì)算結(jié)果表明，建筑物除能滿足豎向荷載和風(fēng)荷載作用下的有關(guān)指標(biāo)外，亦滿足“小震不壞，中震下主要構(gòu)件不屈服、震后可以修復(fù)，大震不倒塌”的抗震性能目標(biāo)C 的要求，結(jié)構(gòu)是可行且安全的。