浅谈超限高层住宅楼结构分析过程

张 锟（山西晋设拓凡建筑设计咨询有限公司，山西 太原 030000）

超限工程设计简要步骤：①判断建筑超限；②确定抗震性能目标；③弹性分析，CQC计算，需要采用两种不同的力学模型软件计算；④弹塑性分析，包括动力弹塑性分析和静力推覆分析（PUSHOVER）；⑤根据分析结果进行构件配筋、截面布置调整，确保结构的性能；⑥对调整后的结构进行再次分析，如果结果良好则可开始编写报告。

下面以某超高层住宅楼为例具体介绍，此项目为剪力墙结构，地下三层，地上四十层，总高度120.15m，存在三项超限：高度120.15m＞100m,B级高度高层建筑；凹凸不规则：凹进尺寸占相应边长42.2%＞30%；高宽比：8.0＞7。

结合项目情况，根据《山西省超限高层建筑工程抗震设防界定规定》（晋建质字[2018]272号），抗震设防性能目标定为C级，目标进行细化见表1。

表1 抗震性能目标

1 整体弹性分析

1.1 小震弹性计算

多遇地震作用下的计算采用了两个不同力学模型的结构分析程序计算,根据结构静力与弹性动力计算结果对数据进行比较分析。使用程序分别为：①北京盈建科软件有限责任公司编制盈建科1.9.1.0版本；②北京MIDAS公司的MIDAS building软件。两个软件的基本参数应一致，各宏观计算指标都满足规范要求，并且两软件计算结果相近，则表示构件截面取值合理，结构体系选择恰当。其中，需要进行对比的结果有周期、平动比例、扭转比例、扭转周期比、结构总质量、有效质量参与系数、最大层间位移、最大层间位移角、最大层间位移比、最小剪重比、刚重比等。两软件计算结果偏差在5%以内，则表示计算结果相近。计算结果见表2、表3。

1.2 中大震等效弹性计算分析

1.2.1 计算参数

风荷载计算信息：不计算风荷载；地震信息结构阻尼比：6；计算控制信息，连梁刚度折减系数（地震）：0.4；周期折减系数：1；考虑双向地震，不考虑偶然偏心；剪力墙抗震等级：4级。考虑性能设计：高规中性能水准：3。抗震等级：4级。底部加强区（关键构件）剪力墙抗剪弹性，非底部加强区（普通竖向构件）剪力墙抗剪不屈服。剪力墙中震抗弯不屈服，如果配筋大可以插入型钢或增大暗柱截面，连梁抗剪不屈服。设计结果中不考虑位移。

表2 小震计算周期对比

表3 小震计算位移对比

在中震弹性的计算过程中，材料强度取值为设计值，虽然不考虑内力调整系数，但对荷载分项系数进行了保留，这样就保留了结构的安全度和可靠度。

中震不屈服设计，属于承载力极限状态设计，简单的话说就是使得构件在中震作用下达到弹性极限状态，所以在参数取值上，不计算风荷载，取消结构计算的内力调整系数，荷载组合的分项系数取1.0，承载力抗震调整系数取1.0，周期折减系数取1.0，地震作用不考虑偶然偏心，并且材料强度取为标准值。

1.2.2 计算结果

剪力墙中震弹性抗剪承载力验算是否满足要求，剪力墙中震不屈服下抗弯验算是否满足要求，如少量墙体暗柱配筋面积大于最大配筋率，采用插入型钢或增大暗柱截面等措施，其余墙体抗弯均满足要求，以此作为截面配筋的准则。

连梁中震抗剪不屈服验算，如少量连梁截面不满足抗剪截面条件，将损坏严重的连梁增设两道交叉斜向钢筋或交叉暗撑，以提高连梁的斜截面受弯承载力。

中震墙肢抗拉验算（不屈服验算）。根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质[2015]67号)第四章第十二条第四款“中震时出现小偏心受拉的混凝土构件应采用《高层混凝土结构技术规程》中规定的特一级构造,中震时双向水平地震作用下墙肢全截面由轴向力产生的平均名义拉应力超过混凝土抗拉强度标准值时宜设置型钢承担拉力,平均名义拉应力不宜超过两倍混凝土抗拉强度标准值(可按弹性模量换算考虑型钢和钢筋的作用)。工程计算结果表明，中震下底部楼座出现拉应力，根据墙肢出现拉应力大小，施工图设计时在拉应力超过1.0ftk的墙肢中设置型钢，且型钢承担中震作用下产生的拉力。最小轴力计算采用的荷载组合公式为：1.0（D+0.5L）-1.0E。受拉墙肢约束边缘构件配筋率为2%，受拉剪力墙竖向分布筋配筋率为1%。

底部加强区剪力墙大震抗剪不屈服验算，非加强区剪力墙截面控制条件验算，根据验算结果，通过加厚底部加强区墙体和加大墙体配筋及增设型钢，剪力墙截面能满足大震的性能目标要求。

2 结构整体弹塑性时程分析

选取地震波，首先导入盈建科软件最新地震波库，为了保证分析结果的准确性，我们选择的地震波的特征周期与该工程要尽量接近，根据特征周期比分析工程特征周期加减0.05进行第一次筛选，将选出的地震波导入备选列表。按照地震波选取的三要素（频谱特性，有效峰值和持续时间），选取5条天然波和2条人工波，软件会根据设置要求对备选地震波进行组合，我们需要在组合列表中选择一组合适的地震波，被选取的地震波组合要符合每条地震波底部剪力不小于反应谱法结果的65%，平均底部剪力不小于等效大震反应谱法结果的80%，结构反映特征及变化规律如基底剪力和层间位移角等指标与CQC结果比较接近。

根据分析结果，从地震波组合中选用3组基底剪力与位移结果均较大的地震波进行罕遇地震弹塑性分析计算（2组天然波+1组人工波）。根据各条地震波弹塑性计算结果分析各构件破坏及损伤程度，并根据计算结果调整计算模型，以满足设定的性能目标。

3 超限评审的时间

结合本工程经验，对超限评审各阶段时间预估：①预审报告时间，从大震开始3～4周，其中编写报告1～2周；②预审时间，3～4天；③改报告时间，最少15～30天（根据意见多少）；④报建设厅，在政务办事大厅或者工程质量安全监管处；⑤报完审批时间，报完（专家会后）10个工作日左右。

4 结语

超限工程的设计，既是机遇也是挑战，比普通工程增加了很多复杂的计算过程、分析和难度，分析的过程也是一个历练的过程，能够对结构概念及设计规范有更深入的认识。