某广场-B座办公楼超高层设计探讨

王营涛 张小伟 周明

摘 要 结合一超限高层建筑的结构设计分析过程中使用的分析方法，探讨了针对于此类型超高层设计的分析思路，通过大量的软件数据分析，针对性的采取了加强措施，确保建筑在地震作用下的抗震性能水平，为类似结构设计提供一定的参考作用。

关键词 超高层;性能设计;动力弹塑性时程分析

1工程概况

1.1 基本信息

该项目位于乌鲁木齐市水磨沟区红光山片区，会展大道东侧，龙盛街以北，北邻在建的‘红星美凯龙家居世博广场，南侧为益民大厦，总建筑面积57819.34㎡。本项目地上共33层，由一栋塔楼组成。塔楼为33层办公楼，主屋面高度为142.95米（地下一层临空，计算高度已算至负二层顶板），屋面以上设备夹层、擦窗机轨道层及幕墙围护，幕墙顶高度为147.45米。塔楼以4.05米层高办公空间为主，避难层为3.9m层高，负一～三层为5.4米层高，四层为4.2米层高，其中负一层和一层局部为商业。本项目设四层地下室（结构按地下三层计算，负一层地下室由于四面无土体约束按地上算并计入总高度），负二至负四层主要为汽车库及设备用房。本项目为超限高层建筑工程，其超限情况简要概述：结构体系框架-核心筒结构，建筑高度142.95，超B级高度（140m）限值。主要结构分析软件：①《YJK建筑结构空间有限元分析和设计软件》（V2020-2.0.3版）北京盈建科股份有限公司开发研制。②《PKPM-SAUSAGE 高性能弹塑性动力时程分析软件》 中国建筑科学研究院广州建研数力建筑科技有限公司开发研制[1]。

1.2 地震作用

根据国家规范有关规定，抗震设防的设计参数：①抗震设防基本标准抗震设防烈度：8度;设计基本地震加速度值：0.16g;②本工程考虑地震断裂带影响按0.16x1.1=0.176; ③建筑场地类别：Ⅱ类场地;④设计地震分组：第2组，Tg=0.40s;⑤水平地震影响系数最大值多遇地震：0.176，设防地震：0.495，罕遇地震：0.99;⑥振型分解反应谱法按CQC法组合;⑦时程分析实际地震记录（天然波）从天然波波库选取，人工模拟加速度时程曲线从人工波波库选取;⑧结构阻尼比0.05;⑨地震波持续时间T>5T1且>15s;10.周期折减系数：0.80。

2结构布局

2.1 概述

塔楼采用框架-核心筒结构，地上共33层，由一栋塔楼组成。塔楼为33层办公楼，主屋面高度为142.95米，屋面以上设备夹层、擦窗机轨道层及幕墙围护，幕墙顶高度为147.45米。塔楼以4.05米层高办公空间为主，避难层为3.9m层高，负一～三层为5.4米层高，四层为4.2米层高，其中负一层和一层局部为商业。本项目设四层地下室（结构按地下三层计算，负一层地下室由于四面无土体约束按地上算），楼盖均采用现浇普通钢筋混凝土梁板体系。

2.2 结构主要构件信息（表1）

2.3 结构计算嵌固端

本工程地下室顶板满足以下条件：

（1） 负二层顶板无大开洞存在;地上结构顶板采用普通现浇钢筋混凝土梁板结构;楼板厚度为180mm，混凝土强度等级为C30，采用双层双向配筋，且每层每个方向最小配筋率为0.25%;

（2） 按剪切刚度计算的结构地上一层侧向刚度小于相关范围地下一层侧向刚度的0.5倍;且地下室周边有与顶板相连的抗震墙;

（3） 地下室顶板对应于地上框架柱的梁柱节点按《抗规》6.1.14条有关构造要求进行设计。

由此判定：负二层顶板可以作为上部结构的嵌固端。

3抗震性能目标

3.1 抗震設防性能目标

本项目的抗震设计在满足国家、地方规范的规定和要求外，将根据相关规范，采用结构抗震性能设计方法。建筑抗震性能设计可以立足于承载力和变形能力的综合考虑，具有很强的针对性和灵活性。针对具体工程的需要和可能，可以对整个结构或某些部位及关键构件，灵活运用各种措施达到预期的性能目标[2]。

根据《高规》3.11.1、3.11.2条规定，结构抗震性能设计的要求，抗震设防性能目标分为A、B、C、D四个等级，抗震性能分为1、2、3、4、5五个水准。对于本工程项目，综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等因素，结构抗震性能目标拟采用D级;相应的性能水准如下表2-1所示。塔楼的结构抗震性能水准按下表2-2进行判别：

3.2 地震作用下的结构分析方法

4多遇地震分析结果

结算结果指标：

（1）结构自震周期：T1=2.9399S T2=2.6604S   T3=2.3991S。

（2）楼层最大层间弹性位移角：风X=1/2078（20F）风Y=1/3491（17F），地震X=1/812（28F） 地震Y=1/1046（25F）。

（3）最大位移与层平均位移比：X=1.23 （1F） Y=1.28 （1F）。

（4）最大层间位移与平均层间位移比：X=1.23 （1F）  Y=1.28 （14F）。

（5）最小剪重比：X=3.525%  Y=13.52%。

分析结果表明在地震作用下，框架部分所占剪力均匀合理;框架部分最大剪力满足大于结构底部地震剪力的10%，满足《高规》9.1.11条;各楼层框架柱剪力经分段调整后均需满足《高规》8.1.4条（0.2V0调整）。剪力墙下部承受很大的剪力，向上逐渐减小，到顶部时剪力墙承受负剪力;框架与剪力墙部分在顶层剪力相反，框架部分和剪力墙部分在顶层有相互作用的集中力，表明结构有良好的框剪共同作用的力学性能。计算结果表明，框架部分能够形成有效的二道防线，结构设计基本合理;同时，根据相关规范，对框架作相应的剪力调整，尤其是底层，拟参照框架-核心筒结构体系的要求对框架剪力作加强调整。

5设防烈度地震作用下分析

5.1 中震验算的主要对象

结构在设防地震下，整体刚度及组成结构的主要构件的承载力，包括关键构件（如加强层伸臂、支撑伸臂作用的周边环带结构及竖向支撑构件、承托上部多个楼层框架柱的腰桁架，底部加强区重要的剪力墙），普通竖向构件（一般剪力墙、柱），耗能构件（连梁、框架梁）。本工程性能设防目标为D级，根据《高规》3.11.1结构抗震性能目标为在多遇地震下应满足第1性能水准的要求，在设防地震作用下应满足第4性能水准的要求，在预估的罕遇地震作用下应满足第5性能水准的要求[3]。

5.2 设防烈度（中震）构件承载力验算

根据性能目标，针对第二水准（中震可修）下的中震组合效应进行构件承载力验算。

构件承载力验算时，目前较为常见的技术手段有两种：

一是“中震弹性”，即结构在中震作用下，结构承载力满足弹性设计要求，计算时不考虑地震内力调整系数，其他基本同抗震设计的第一阶段（小震弹性），采用与小震时相同的作用分项系数、材料分项系数和抗震承载力调整系数，材料强度取设计值，不考虑风荷载参与组合。二是“中震不屈服”，即采用振型分解反应谱法计算地震效应，取消内力调整，荷载和地震作用分项系数取1.0（组合值系数不变），截面验算采用材料强度标准值，不考虑抗震承载力的调整，且不考虑风荷载参与组合，考虑到中震不屈服验算时有部分构件出现抗弯屈服，参考抗震规范的相关建议，适当调整结构阻尼比为0.06。

5.3 各构件在中震的作用下，其抗震性能如下所述：

（1）连梁在中震作用下，部分出现抗弯屈服，通过连梁剪压比计算结果统计来看，连梁剪压比在一定富裕，可以满足预定抗震性能目标。

（2）框架梁在中震作用下，少部分框梁出现轻微抗弯屈服，通过框架梁计算结果来看，框架梁抗剪承载力存在很大富裕，可以满足预定抗震性能目标。

（3）剪力墙在中震作用下，均能满足中震抗弯抗剪不屈服的要求，其中抗剪承载力具有一定的富余。

（4）框架柱抗弯抗剪满足中震不屈服，特别是抗剪承载力具有较大的富余。

（5）底部加强区的筒体边部墙体在中震下存在偏心受拉，拉应力已大于混凝土的抗拉强度标准值，故增设型钢加强。

通过中震分析，结构体系中竖向构件在中震下基本保持着良好的工作性能，而水平构件中——框架梁和作为结构主要的耗能构件的连梁在地震作用下出现部分受弯屈服，但不严重，抗剪存在一定富裕，均可满足中震不屈服的要求。本结构的设计上保证了中震弹性及不屈服概念的具体落实，也即实现了中震可修的性能水准，同时，也体现了地震中各构件的屈服顺序基本上是首先耗能构件的连梁和框架梁部分屈服，然后是剪力墙底部塑性铰区的受弯接近屈服，框架柱则没有出现屈服的情况，体现了框架作为二道防线的框剪结构的特点。综上所述，结构可以满足预定的中震性能目标。

6罕遇地震作用下动力弹塑性时程分析

6.1 分析目的

《高规》第5.1.13条规定“B级高度的高层建筑、混合结构和复杂高层建筑结构，宜采用弹塑性静力或弹塑性动力分析方法补充计算”。本工程属于超过《高规》3.3.1-2中B级最大适用高度的一般不规则结构，有必要了解结构在罕遇地震作用下的性态。

动力弹塑性时程分析方法可以考虑包括几何、材料、边界条件等各种复杂的非线性因素;还可以反映地面运动的方向、特性、持续时间的影响及地基和结构相互作用以及分块阻尼等问题。

作为传统承载力设计方法的必要补充，动力弹塑性时程分析方法是一種直接基于结构动力方程的数值分析方法，是将结构作为弹塑性振动体系直接按照地震波数据输入地面运动时的加速度，然后得到结构在地面加速度随时间变化期间内的各个质点位移、速度、加速度和构件的内力，通过给出结构开裂和屈服的顺序来发现应力和变形的集中部位，来判别结构的屈服机制、薄弱环节及可能破坏类型，通过设计加强措施来保证结构具有较好的承载能力和延性，满足罕遇地震性能目标的抗震设防要求。

6.2 构件性能目标

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）新增加了第3.11节——结构抗震性能设计，将结构的抗震性能分为五个水准，对应的构件损坏程度则分为“无损坏、轻微损坏、轻度损坏、中度损坏、比较严重损坏”五个级别。

钢筋混凝土构件除了考察钢筋塑性应变，还要考察混凝土材料的受压损伤情况，其程度以损伤因子表示。剪力墙构件由“多个细分混凝土壳元+分层分布钢筋+两端约束边缘构件杆元”共同构成，但对整个剪力墙构件而言，如下图所示，由于墙肢面内一般不满足平截面假定，在边缘混凝土单元出现受压损伤后，构件承载力不会立即下降，其损坏判断标准应有所放宽。考虑到剪力墙的初始轴压比通常为0.5～0.6，当50%的横截面受压损伤达到0.5时，构件整体抗压和抗剪承载力剩余约75%，仍可承担重力荷载，因此以剪力墙受压损伤横截面面积作为其严重损坏的主要判断标准。连梁和楼板的损坏程度判别标准与剪力墙类似，楼板以承担竖向荷载为主，且具有双向传力性质，小于半跨宽度范围内的楼板受压损伤达到0.5时，尚不至于出现严重损坏而导致垮塌[4]。

6.3 罕遇地震作用下分析结论

为了更好地了解本项目在大震（50年超越概率为2%，2500年回归期）作用下的结构性能，根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）和《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）的要求，使用SAUSAGE软件建立了非线性模型对结构进行非线性时程分析。模型包括了所有的主要结构构件，包括剪力墙、连梁、框架柱和框架梁。模型考虑了几乎所有主要构件的非线性。

尽管非线性时程分析耗时很长，而且还存在一些不足之处，但总体上来说，分析结果对于评价结构在大震作用下的受力和变形是有指导意义的。分析的主要结果如下：

（1）结构层间弹塑性层间位移角均小于规范限值要求（1/100），结构主要抗侧力构件没有发生严重破坏，局部构件屈服但不会引起局部倒塌或危及结构的整体安全，结构具有良好的整体性，可满足“大震不倒”的抗震性能目标要求。

（2）部分剪力墙发生抗弯曲屈服，部分墙肢受剪屈服，但比例较小，不会出现整片墙肢的剪切屈服和破坏。

（3）框架柱未屈服。结构具有较好的“强柱弱梁”体系。

（4）作为主要耗能构件的连梁、框架梁，大部分楼层连梁及框架梁梁端进入弯曲屈服状态，但均未发生剪切屈服，顶部一些楼层连梁、框架梁端率先弯曲屈服，再向底部、中间楼层发展;连梁普遍先于框架梁进入屈服状态，且完成屈服时间也短于框架梁，结构具有良好的多道防线和耗能体系。施工图设计时将对核心筒连梁采取增加交叉斜筋、适当提高连梁的配箍率及腰筋的抗震构造措施改善抗剪延性。

结论：罕遇地震作用下各项设计控制指标均满足性能水准5的抗震性能目标[5]。

7抗震加强措施

（1）提高底部加强部位受弯和受剪承载力;在剪力墙底部加强部位及其上一层，设置约束边缘构件，加大该部位的配箍率。底部加强部位之上设置两层过渡层，其配筋较非加强区适当提高。

（2）底部加强区剪力墙分布筋配筋率按不小于0.5%控制，且同时满足中震不屈服的抗剪承载力要求。

（3）对少量剪力过大的连梁，适当提高连梁的配箍率及腰筋，以满足强剪弱弯的抗震概念设计要求。施工图设计时将对核心筒连梁采取增加交叉斜筋、适当提高连梁的配箍率及腰筋的抗震构造措施改善抗剪延性。

（4）在底部加强区（1～3层）混凝土主要受拉墙肢中按计算设置型钢，以满足墙肢抗拉、抗剪截面的要求，并进一步提高墙肢延性级抗震性能。

（5）设计时对竖向构件按小震弹性和中震不屈服分析结果包络设计。

（6）对跃层柱采用设置芯柱及提高抗震等级（特一级）的构造方式提高其承载力和延性，对中庭楼板开洞处，采用加大板厚（150mm）并双层双向配筋，控制最小配筋率不小于0.3%。

（7）结论：通过以上计算分析和结构措施，本项目可以满足建筑功能和使用要求，抗震设防标准合理，满足高规性能目标的要求，具有良好的抗震性能。

参考文献

[1] 陈昌和.高层建筑结构抗震设计存在的问题及其对策[J].建筑工程技术与设计，2020（11）：878.

[2] 向发海.高层建筑结构抗震设计存在的问题及其对策[J].建筑工程技术与设计，2020（10）：670.

[3] 曹永刚.高层混凝土建筑抗震结构设计分析[J].建筑工程技术与设计，2020（8）：986.

[4] 凌致远.高层建筑结构抗震设计存在的问题及其对策[J].建筑工程技术与设计，2020（5）：686.

[5] 杨继建，任红伟.高层建筑结构抗震设计存在的問题及其对策[J].建筑工程技术与设计，2020（3）：875.