浅谈超限高层结构的抗震设计

韩明章

摘要：随着高层建筑的增多，结构抗震分析和设计已越来越重要。特别是我国处于地震多发区，高层建筑抗震设防更是工程设计面临的迫切任务，某酒店二期项目拟建工程区域范围内，有两条断裂带及两条断裂系对工程场地地震危险性有影响。本文针对本项目主楼平面及立面都不规则的超限情况及结构特性，对结构进行了弹性动力时程补充计算，以确保抗倒塌能力，

关键词：框架-剪力墙；超限高层；断裂带（系）影响；弹性时程；静力弹塑性

一、结构设计

该酒店主楼平面呈S形，标准层中间轴向长度约124.1m，在主楼中部凸出的楼电梯井边设置一道抗震缝，将主楼切分为两个独立的振动体系，地下室顶板结构连成一体，地下室顶板（±0.000处）作为裙楼及主楼的嵌固端，结构布置时保证地下室的楼层侧向刚度大于相邻上一层侧向刚度的2.0倍，满足规范嵌固条件的要求。本文以主楼抗震缝左侧的结构为例进行抗震设计的介绍。

本工程设有一层地下室，底板结构面标高-5.400m，主楼及裙房基础采用桩承台+防水板的型式，桩端持力层为⑧层（中砂层），均按抗压桩设计，有效桩长约14m左右。单桩竖向承载力特征

值在桩基全面施工之前通过试桩确定。地下室底板、外墙、顶板有覆土部分均采用结构自防水+建筑外防水做法，采用C35防水密实性混凝土，抗渗等级为P6。

根据建设部第111号令及《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，对本工程的各项指标检查如下：（1）建筑高度，主屋面标高43.5m，室内外高差0.3m，建筑高度小于100m，属于A级高度钢筋混凝土框架剪力墙结构。（2）长宽比，建筑标准层宽度B=10.7m（计算至主要抗侧力竖向构件边缘），建筑长度（沿弧向取中间3-F轴的轴向长度）L=61.2m，L/B=61.2/10.7=5.7<6.0，满足规范高层建筑结构长宽比的要求。（3）平面凹进或凸出，标准层电梯井处，凸出尺寸L1为9.4m，标准层相应方向结构投影尺寸Bmax=20.1m，L1/Bmax=46.8%>30%，且大于40%，属平面凸出特别不规则。（4）上部楼层竖向收进，在四层楼面（18.300m标高，18.3/43.5=42%>20%）处，裙房局部收进后的水平尺寸为10.7m，相邻下一层水平尺寸为17.5m，10.7/17.5=61%，小于75%，且小于65%，属竖向局部收进特别不规则。 （5）在偶然偏心影响下，楼层的最大弹性层间位移大于该楼层层间位移平均值的1.2倍。

综上所述，本工程存在平面凸出、竖向立面收进等规则性超限，该酒店主楼判定为超限的A级高度钢筋混凝土框架剪力墙结构。采用中国建筑科学研究院的高层建筑结构空间有限元分析软件SATWE对整体结构进行分析；同时采用PMSAP对SATWE结构计算进行校核和对比分析。

二、电算分析

设防烈度7度（0.15g），设计地震分组为第一组，周期折减系数取0.75，场地类别为Ⅱ类，场地特征周期Tg根据安评报告取0.40s。多遇地震影响系数αmax=0.15，地震力振型组合数30。

（1）嵌固端判别：该工程地下室结构的楼层刚度和相邻上部结构楼层剪切刚度比，X，Y向均大于2.0，故地下室顶板可以作为上部结构的嵌固端。

（2）重力二阶效应及结构稳定判别：X向刚重比EJd/GH**2= 9.54>1.4且大于2.7，Y向刚重比EJd/GH**2= 11.50 >1.4且大于2.7，能够通过高规（5.4.4）的整体稳定验算，可以不考虑重力二阶效应。

（3）结构周期比：SATWE和PMSAP计算分析结果都显示了第一、二振型为平动振型，第三振型为扭转振型，第一扭转周期与第一平动周期的周期比均小于0.90，纵横向的周期也比較接近，对比分析的结果可以接受。

（4）有效质量系数：本工程选取30个振型，累计的有效质量系数均大于90%，说明所选的计算振型数已满足要求。

（5）侧向刚度和扭转刚度控制：框架-剪力墙结构弹性层间位移角的限值为1/800，且控制偶然偏心下位移比小于1.3。满足规范要求。

（6）剪重比：计算分析结果显示了结构在阻尼比为5%时，结构底部第1层及第2层剪重比满足规范2.40%的要求，X向、Y向程序调整系数均为1.0。

（7）竖向结构轴压比控制：框架柱轴压比均控制在0.85以内，剪力墙轴压比均控制在0.5以内。（8）层间刚度比：计算分析结果显示，该工程结构沿高度方向的刚度基本均匀变化，无突变。

（一）小震弹性动力时程分析

采用PMSAP程序进行小震弹性动力时程分析，选用三条波（两组自然波，一组人工波），每条波的有效持续时间均大于结构自振周期的5倍，地面运动加速度峰值为60.6gal，结构阻尼比为0.05。结构底部剪力不小于振型分解反应谱计算结果的65%，平均值与CQC法的比值，x向与y向分别为99%，97%，均大于80%。

（二）静力弹塑性分析

用静力弹塑性分析PUSH验算了在罕遇地震作用下的楼层位移。侧推荷载类型为倒三角形，基底剪力与总重量的比值为1，走步控制采用球面弧长法。经过计算分析，其罕遇地震下的层间位移角X向为1/205，Y向为1/219，小于框架-剪力墙结构的限值1/100，满足规范的要求。

三、综合性评价

本工程结构处于高烈度地区，属于不规则超限的A级高度钢筋混凝土框架剪力墙结构。针对本工程的结构特点，采取了下列抗震加强措施。

（1）在竖向急剧收进的四层楼面（标高18.300），全层结构楼板采用150mm，予以适当加强。该层楼板采用双层双向配筋，配筋率适当提高，同时加强相邻上下层楼板配筋。收进部位的竖向构件配筋也适当加强，加强的范围向下、向下各延伸一层。平面局部凸出部位楼板也适当加强。

（2）在入口大堂挑空处的二层楼面（标高7.500）洞口周边楼板予以加强，板厚取150mm，并采用PMSAP进行弹性板的应力分析，适当加强配筋，双层双向设置。同时适当提高周边框架柱的配筋率和配箍率。

（3）主楼框架柱抗震等级提高一级，按照二级抗震等级采用，适度提高二道防线的安全度。

（4）采用SATWE及PMSAP进行结构的电算对比分析，并仔细调整结构的刚度布置，尽量使得结构的质心和刚度中心一致，减少地震作用的扭转效应，同时加强端头边榀框架梁，提高结构的整体抗扭刚度。控制楼层最大位移比不大于1.3。

（5）对结构进行弹性时程分析，从计算的曲线分析，各楼层的层间位移曲线基本光滑无突变。层间位移均小于1/800，结构不存在薄弱层。每条时程曲线计算所得的结构底部剪力均大于CQC法求得的底部剪力的65%，三条时程曲线计算所得的结构底部剪力的平均值大于CQC法求得的底部剪力的80%，很好的满足了规范要求。

（6）为保证结构在大震下具有足够的延性和抗倒塌能力，对结构进行大震下的静力弹塑性分析，在大震作用下结构的x向、y向结构能力曲线与结构的需求谱曲线相交，结构具有足够的抗倒塌能力，满足“大震不倒”的性能目标。在大震作用下结构的最大侧向位移均在1/200左右，满足规范要求。

四、结语

通过SATWE及PMSAP两种有限元程序的结果对比分析，在采取了有效的抗震措施后，两种程序计算所得的结构周期、周期比、层间位移、位移比等各项指标都较好的满足规范的要求，该结构具有较好的抗震性能。

参考文献：

[1]吕西林.超限高层建筑工程抗震设计指南（第2版）[M].上海：同济大学出版社