抗震性能设计方法在某超限高层中的应用实例

耿建华

(嘉博(福建)联合设计有限公司 福建福州 350001)

随着社会生产力和科学技术的发展，以及人类活动的需要而发展起来的高层建筑，已经成为一个城市乃至国家经济繁荣和社会进步的重要标志。随着我国发达程度不断提高，大城市人口日渐密集，高层建筑结构不仅能够节约土地资源，还同时发挥着美化城市空间环境的作用，越来越多的大中城市对高层及超高层建筑有了更迫切的需求。新世纪以来，各种异形建筑，复杂结构的不断增多，使人们对结构的安全性提出了更高要求。

基于性能的抗震设计引起了国际地震工程领域的广泛重视，在一段时间内，引领着结构抗震设计的发展潮流[1]。超限高层抗震设计的宏观定性已经很明确，但实际的工程应用中需要可操作性强、设计目标明确的设计方法，该方法很好的实现了这一目标，使设计工作具有了更明确的目的、更强的可操作性和更高的可靠性[2]－[4]。

本文通过一个具体工程实例的设计，介绍了抗震性能化设计的步骤和方法。根据工程特点，确定了设计的性能目标和性能水准，阐述了各个目标在小震、中震以及大震下如何具体实现等内容，总结出建筑结构进行抗震性能化设计的基本流程，希望能给类似项目的设计提供帮助。

1 工程概况

本工程位于莆田市仙游县，其中超限高层2#楼为集商业与办公一体化的综合商业体，地上建筑面积约49500m2，主体高度 149.900m，考虑室内外高低差 100mm，结构总高度150.00m，结构高宽比4.09。一至五层为商铺，六层及以上为酒店式公寓和办公，避难层设在十二层和二十三层，顶部构架平均高度7.4m，设有直升机停机坪。两层地下室建筑面积约65000m2，负一层为商铺，负二层为地下车库和部分设备用房。

本工程地处莆田市仙游县，根据《建筑抗震设计规范》[5]查得:抗震设防烈度为6度;设计地震分组:第三组。根据地质勘查报告，场地类别:Ⅱ类，属对建筑抗震不利地段。据安评报告提供:抗震设防烈度为7度;设计地震分组:第三组;水平地震影响系数最大值:0.079;场地类别:Ⅱ类;特征周期:0.45s。

本工程设计取值为:抗震设防烈度为7度;设计地震分组:第三组;水平地震影响系数最大值:0.08;场地类别:Ⅱ类;特征周期:0.45s。

2 结构体系

结构主体采用框架－核心筒结构体系，楼盖为普通钢筋混凝土梁、板结构。取基础承台面为主体嵌固部位。一至四层附带一跨商业裙房，五层及以上为结构标准层，标准层层高4.75m，避难层位于十二层和二十三层，层高3.65m。标准层梁、墙柱布置如(图1)所示。

框架柱截面由底层至顶层逐渐缩小;核心筒外圈钢筋混凝土剪力墙厚度由首层到顶层从700mm～300mm逐渐变化，内部剪力墙主要承受竖向荷载，按轴压比控制。竖向构件混凝土强度等级自下而上采用C60～C30(地下二层～6层采用C60混凝土，7～12层采用C55混凝土，13～17层C50混凝土，18～23层C45混凝土，24～26层C40混凝土，27～29层C35混凝土，30及其以上均为C30混凝土)。混凝土等级变化与墙柱截面变化上下错开一层以上，避免结构竖向刚度发生突变。

3 结构超限及采取的措施

根据《建筑抗震设计规范》[5]和《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》[6](建质[2010]109号)判定:本工程高度超限情况为超A级不超B级;建筑结构一般规则性超限检查，存在扭转不规则;无特别不规则项目。

依照《高层建筑混凝土结构技术规程》[7]JGJ 3－2010，综合考虑本工程的结构体系和超限情况，按《规程》中的B级高度建筑的相关条文进行设计，采取的相应措施如下:

(1)多程序计算分析结果进行对比，即分别采用SATWE和PMSAP程序对整体结构进行分析，并比较其内力与位移。

(2)多遇地震情况下，采用弹性时程分析方法补充计算。时程分析天然波的选取除应满足《建筑抗震设计规范》GB50011－2010)第5.1.2款第3条外，还应考虑以下4个要素。

1)特征周期和场地的特征周期比较接近。

2)最大峰值符合规范要求。

3)时间间距可取0.01s或0.02s，持续时间不小于结构基本自振周期的5倍和15s。

4)在结构各周期点上，天然波对应的加速度反应谱与规范反应谱相差不超过20%。

根据上述原则，从场地安评报告提供的波中选用1条场地人工波和2条天然波，对本工程进行时程计算分析。

(3)底部加强区的框架柱及剪力墙，在中震计算时满足抗弯不屈服、抗剪弹性。

(4)为控制弹塑性层间位移角限值，满足大震不倒的要求，在罕遇地震作用下对结构进行Pushover静力弹塑性分析;对结构进行大震不屈服计算，保证底部加强区的竖向构件满足强剪弱弯的要求。

4 结构计算分析

《高层建筑混凝土结构技术规程》中对结构的抗震性能目标和性能水准进行了明确的分级。根据本工程的特点，设计时考虑采用此基于性能的抗震设计方法，确定本工程的整体结构抗震性能目标为D级，中震设计时，部分构件采用C级性能目标。具体主要构件目标分级见(表1)。

表1 结构各主要构件在不同抗震水准下的性能目标

4.1 多遇地震作用整体计算分析

同时考虑偶然偏心和双向地震的不利影响采用振型分解反应谱法，对结构进行多遇地震作用下的整体分析。取15个振型，周期折减系数为0.85。(表2)为SATWE和PMSAP计算结果的分析对比。

表2 SATWE和PMSAP结果对比(多遇地震作用)

通过结果对比，在多遇水平地震作用下，SATWE和PMSAP两种程序所得刚度、结构位移等指标均满足规范要求。结构刚重比位于1.4到2.7之间，在水平力作用下需考虑P－△效应对结构位移和内力的不利影响，结构满足整体稳定的要求。

根据《建筑抗震设计规范》(GB50011－2010)、《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3－2010)采用时程分析法进行多遇地震作用下的补充计算，地面运动最大加速度取35cm/s2，根据场地类别和特征周期，取场地安评报告所提供的1条人工波和2条场地天然波，可得(图2)所示的地震波平均地震影响系数曲线。从图中可看出两条曲线在统计意义上相吻合。

结构弹性时程分析结果见(图3)。

图2 地震波反应谱与规范谱对比图

从(图3)所示的结构弹性时程分析结果来看，X、Y向各三条波中每一条波作用下的基底剪力都大于反应谱法基底剪力的65%，且平均基底剪力大于反应谱法基底剪力的80%，满足规范对时程分析地震波选取的要求。

4.2 中震作用整体计算分析

中震作用下结构整体计算时，最大地震影响系数α按安评报告取0.23，同时不小于规范值。底部加强区的竖向构件按需满足抗剪弹性的要求。设计时承载力调整不考虑抗震等级，不计算风荷载，材料强度采用设计值;实际计算在SATWE程序中采用地震影响系数直接放大，墙、柱抗震等级均调整为四级。底部加强区的竖向构件抗弯不屈服计算时，不考虑地震组合内力调整系数，荷载分项系数取1.0，材料强度取标准值，抗震承载力系数γRE取1.0，实际计算在SATWE程序中采用地震影响系数直接放大，中震或大震设计选择“不屈服”。计算结构表明，在中震作用下，底部剪力墙出现微小拉应力，考虑钢筋抗拉可满足要求;整体分析剪力墙承载力满足中震不屈服要求;局部连梁出现剪压屈服，局部框架梁出现抗弯屈服。底部加强区剪力墙斜截面可满足弹性承载力要求。

4.3 罕遇地震作用整体计算分析

在罕遇地震作用下，部分结构构件会发生屈服甚至破坏而退出工作，结构整体工作状态由弹性阶段进入弹塑性状态。随着塑性的不断发展，结构的刚度逐渐减小，阻尼逐步加大。PKPM的pushover模块能够模拟和分析这一过程，同时能够大致确定结构在罕遇地震下的破坏过程，找到薄弱部位。设计者能够根据分析结果对薄弱部位进行针对性的加强，从而确保结构在罕遇地震作用下满足性能设计的要求。

图3 弹性时程分析部分结果

计算结果表明:结构的能力谱曲线与罕遇地震的需求谱曲线在X、Y方向上均能发生交叉，X、Y方向的性能点对应的最大层间位移角分别为1/156(X向)和1/128(Y向)，满足规范规定的限值要求和性能目标要求。X向最大层间位移角1/156发生在10层，Y向最大层间位移角1/128发生在20层。具体计算结果详见(图4)。

结构塑性铰分布见(图5)，可以看出塑性铰主要集中于连梁、框架等耗能构件，底部楼层剪力墙出现剪切裂缝，其余楼层剪力墙轻度损伤，结构整体的竖向构件均有不同程度的损伤，墙体之间的连梁起到了延性耗能的作用。全楼竖向刚度分布较为均匀，沿结构高度方向，楼层位移和层间位移角分布变化较为均匀，结构不存在薄弱层，整体结构的承载力并没有明显的降低。

图5 塑性铰计算结果

罕遇地震作用下，底部加强区竖向构件需满足受剪截面的限制条件。为避免剪切脆性破坏，要求竖向构件斜截面极限承载能力的安全度高于其正截面偏心受压极限承载能力的安全度。剪力墙剪压比查SATWE结果，按《高规》公式(3.11.3－4)列表计算，不满足要求时墙体边缘构件内加设型钢，按《高规》公式(3.11.3－5)复核。

从上述计算结果可以看出，无论在小震、中震还是大震作用下，结构整体及构件均能满足(表1)相应性能目标的要求。

5 结论

本工程为高度150m的框架－核心筒结构，超出A级高度建筑最大适用高度，在设计中采取了基于性能的抗震设计方法。根据建筑结构在不同地震水准作用下所要求达到的性能，确定其抗震性能目标及性能水准;针对不同位置结构构件的重要程度提出了不同的控制目标。经以上结构弹性和弹塑性分析，在多遇地震作用下，结构整体变形满足规范要求，结构构件处于弹性状态;在设防烈度地震荷载作用下结构进入弹塑性状态，结构底部竖向构件满足抗剪弹性，抗弯不屈服设计要求;在罕遇地震作用下结构弹塑性位移满足规范要求，关键竖向构件未出现屈服，本工程结构整体性能满足设计的性能能目标和规范要求。

[1]闫怀青.基于性能的抗震设计[J].中小企业管理与科技，2013.

[2]洪哲.基于性能的抗震设计方法在某超限酒店工程中的应用[J].福建建筑，2014.

[3]王东波，刘满红.结构基于性能的抗震设计分析讨论[J].山西建筑，2012.

[4]某超高层框架—核心筒混合结构的结构设计介绍[J].广东土木与建筑，2012.

[5]GB50011－2010，建筑抗震设计规范[S].

[6]《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质[2010]109号)[S].

[7]JGJ3－2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].