某超限高层建筑抗震设防可行性分析

陈哲武1，胡 枫2

（1.华南理工大学建筑设计研究院有限公司，广东广州  510000；2.宁波市规划设计研究院有限公司，浙江宁波  315000）

摘 要：本文介绍了某超限高层建筑的抗震设防可行性设计过程，通过计算和分析，验证该结构在正常使用和极端地震作用下的安全性和可靠性。

关键词：高层；超限；抗震

1工程概况

本项目建筑总建筑面积约16.8万平方米，本单体B6B7-2面积约1万平方米。本单体地上6层，功能为办公或会议，首层层高7.95米，二层层高6.55米，三层层高6.0米，四层及以上层高4.5米，屋顶标高为36.70m，属超限高层建筑。此单体为钢筋混凝土框架结构，采用现浇钢筋混凝土梁板楼盖，楼板厚度一般为120m，部分板跨度或荷载较大者相应加厚。框架梁截面尺寸为400×800、400×1000、400×1200，次梁截面一般为200x500、250×600、300x600、300x700、300x1200、300x1500等。结构整体模型如图1所示。典型平面如图2所示。

图1  结构整体模型

设计条件：本工程的结构设计使用年限为50年，安全等级为一级，结构重要性系数为γ0=1.1。计算结构整体指标时采用50年一遇的基本风压w0=0.45kN/m2；地面粗糙度类别为B类，体型系数取1.4。根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010 2015年版)【1】，本项目属于乙类建筑，应按高于本地区设防烈度一度的要求加强其抗震措施（即抗震措施按8度），且应按本地区抗震设防烈度确定其地震作用（即地震作用按7度（0.10g））。

二层平面                                  四层平面

图2  结构平面

根据地质报告及基础受力情况，采用天然地基上的柱、梁下扩展基础，基底置于较完整中风化石灰岩③，要求地基承载力特征值fak≥700kPa。本工程地基基础的设计等级为乙级。

根据地质勘察报告，场地内勘探深度内未见第四系孔隙潜水及岩溶裂隙水，根据以往工程经验，可不考虑抗浮稳定问题。地下室底板厚500mm，上部结构嵌固于地下室顶板，嵌固层采用普通钢筋混凝土梁板楼盖，板厚400mm（顶板覆土2m，人防等级为5级）。

2超限判定

根据计算结果，本工程的超限判定如下：

1）扭转不规则。

2）凹凸不规则。

3）楼板不连续。

合计共有3项不规则。

3主要计算结果

采用设计软件YJK和ETABS对本项目进行小震反应谱和风荷载分析，主要计算结果如下表所示：

YJK、ETABS主要计算结果对比表

计算软件				YJK	ETABS
结构总的重量(t)				36971	36968
有效质量系数		X向		99.99%	100%
		Y向		100%	100%
周期	第1周期			1.670(Y)	1.675 (X)
	第2周期			1.444(X)	1.455 (Y)
	第3周期			1.287(T)	1.289 (T)
	第4周期			0.486(T)	0.522(T)
	第5周期			0.483(X)	0.485(X)
	第6周期			0.3545Y)	0.476 (Y)
地震作用下底部剪力(kN)			X向	10861	10910
			Y向	9828	9847
剪重比			X向	2.938%	2.951%
			Y向	2.658%	2.664%
地震作用下首层倾覆弯矩(kN.m)			X向	243390	244700
			Y向	203610	204500
地震作用下最大层间位移角(所在层)			X向	1/1023 (第3层)	1/908(第3层)
			Y向	1/879 (第3层)	1/813(第3层)
风荷载作用下首层底部剪力(kN)			X向	4018	4018
			Y向	1749	1749
风荷载作用下首层倾覆弯矩(kN.m)			X向	96465	96460
			Y向	36842	36840
风荷载作用下最大层间位移角(所在层)			X向	1/2668 (第3层)	1/2380 (第3层)
			Y向	1/5344 (第4层）	1/5063 (第3层)
本层侧向刚度与相邻上层侧向刚度的比值的最小值			X向	0.76（第3层）	0.75(第3层)
			Y向	0.74（第3层）	0.74(第3层)
结构刚重比（D/(∑G/h)）			X向	29.10	29.88
			Y向	21.24	22.07

在中震作用下，本工程结构的抗震性能目标为性能水准3。中震作用下的内力计算采用等效弹性方法，具体参数为：水平地震影响系数最大值取0.23，场地特征周期取0.45s，周期折减系数取为0.9，中梁刚度放大系数取为1.5，结构阻尼比取为0.055。按等效弹性计算的中震作用下结构相关指标如下表所示。

方向	X向	Y向
顶点(屋面)位移(mm)	69.2	76.0
最大层间位移角	1/382（3）	1/327（3）
基底剪力(kN)	27340	24576
基底剪重比	7.395%	6.647%
基底剪力中震/小震	2.52	2.50
顶点(屋面)位移中震/小震	2.65	2.67

为量化规范要求的“大震不倒”设防目标及复核大震时关键构件的性能水准，采用EPDA（PKPM2010版）程序对建筑物在罕遇地震作用下进行静力弹塑性推覆分析。为简化模型，采用刚性楼板的假定。

7度抗震设防区根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）【2】，大震下水平地震影响系数最大值αmax取0.50，特征周期增加0.05s，为0.50s。分两步进行加载。第一步为施加重力荷载代表值，并在后续施加水平荷载过程中保持恒定。第二步为逐步施加竖向分布模式为弹性CQC地震力的水平荷载。大震下静力弹塑性分析所得的性能点处相关指标如下表：

方向	X向	Y向
顶点位移(mm)	144.7	168.1
最大层间位移角(层号)	1/167	1/140
首层剪力(kN)	44514	39357
首层剪重比	12.04%	10.65%
首层剪力大震/规范小震	4.10	4.00
顶点位移大震/规范小震	5.65	5.90

4抗震技术措施

本工程理论计算的各项指标均满足规范要求，但存在扭转不规则、凹凸不规则、楼板不连续等不规则项，针对结构超限情况，设计中对结构计算分析和抗震措施两方面进行了加强，保证整体结构实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”三阶段设防水准且有更大的富裕度，结构整体安全可靠，关键构件具备足够的延性，具体措施如下：

1、按照《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）【2】结构抗震性能设计要求，设定结构抗震性能目标为C级。

2、分别采用建筑结构分析与设计软件YJK（2.0.1版）和ETABS（9.7.2）设计软件进行了小震下的对比计算，消除单一软件分析片面性和局限性。

3、进行了小震下的弹性动力时程分析，并和小震下的振型分解反应谱法计算结果进行对比，地震作用效应取两者规定值的较大值结果。

4、根据规范反应谱，采用YJK软件进行整体计算，要求构件满足预定的中震弹性或中震不屈服的性能目标。

5、采用EPDA弹塑性分析程序进行Pushover分析，判断结构和构件在大震下对应的性能水准，以验证结构能够实现“大震不倒”的设防目标及中度损坏的性能目标。

6、竖向构件的加强措施

1）加强一般框架柱、梁：控制框架柱、梁的轴压比以保证大震时的延性，适当提高1~2层框架柱、梁纵筋配筋率至1.2%~1.4%，局部受力较大处取中震、小震配筋进行包络设计，并相应提高其箍筋的体积配箍率。

2）加强大跨度框架柱、梁：更严格控制其轴压比，纵筋配筋率提高至2.0%，体积配箍率提高至1.2%。

7、楼板加强措施

1）通过楼板应力分析，有针对性的对楼板进行加强，提高连廊及凹口附近楼板配筋率，采用双层双向配筋。

2）对扭转位移比较大的裙楼边框构件承载力进行加强。

5结论

本工程属A级高度的高层建筑结构，采用现浇钢筋混凝土框架结构体系，存在扭转不规则、凹凸不规则、楼板不连续共3项不规则。针对不规则项采取了针对性的加强措施。采用了YJK、ETABS进行竖向荷载、风荷载、地震作用的弹性计算，并采用EPDA＆PUSH（PKPM2010）程序对建筑物在罕遇地震作用下进行静力弹塑性推覆分析。分析结果显示，结构可达到预期的抗震性能目标C级，结构抗震性能优良。

[参考文献]

[1] GB50011-2015抗震结构设计规范[S]．

[2]JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S]．

作者简介：陈哲武（1990—），男，广东潮州人，工程师，主要从事结构设计工作。