某超限高层结构抗震设计及分析

某超限高层结构抗震设计及分析

叶豪泽

浙江新宇建筑设计有限公司  浙江省温州市乐清市325600

摘要:近年来随着城市化的深入发展，超限高层结构应运而生。超限高层结构抗震设计是确保其稳定性的关键，本文对超限高层的抗震设计进行分析，结合超限高层设计案例，分析其要点并提出改善抗震设计的措施，期望为相关研究提供参考。

关键词:超限高层结构;抗震设计;结构分析

0引言

随着我国城市规模的不断扩大，建筑数量的不断增加，城市土地资源成为稀缺资源，而高层建筑成为缓解城市建筑空间矛盾的重要手段，有利于提高城市的土地利用效率，但是由于超限高层结构层数高、结构复杂，给建筑结构设计带来了许多难题。抗震设计是超限高层结构设计的重点和难点，抗震设计需要考虑到材料、地质结构等对超限高层建筑的影响，综合各个方面的因素进行设计，确保抗震强度符合工程需求。

1超限高层工程概况

1.1工程概况

本文的研究对象是位于东部地区的高层建筑，该建筑处于市区中心。高层建筑地上部分共有32层，地下空间2层，建筑高度为155.00m，地下二层结构总高度为7.85m。建筑结构地上建筑面积88506 m2，地下室建筑面积12672 m2。建筑1层到地上5层为商场，地上6层到31层为酒店客房，第32层为电梯及设备机房层。

1.2结构超限概况

高层结构主要为钢筋混凝土框架—剪力墙结构，根据该地区的设计规范，抗震烈度为6度。设计寿命为50年，场地类别为Ⅲ类，抗震结构承载力按照基本风压的1.1倍进行计算。从建筑结构的情况来看，6度区A级高度钢筋混凝土—剪力墙结构的使用高度为140m，而本文的建筑高度为155.00m，明显为超限高层结构。根据超限基本情况而言，超限高层结构存在扭转不规则、平面凹凸不规则、偏心布置等情况，因此需要进行抗震防设专项设计与审查。

1.3工程地质条件

根据该地区的岩土勘察报告，从区域地质及钻探资料来看，拟建场地上部分布有介于50~80m的第四系松散沉积物，其中上部20~25m为淤泥及淤泥质类土，属第四纪全新世（Q4）滨海相沉积物，下部为中更新世（Q3）河流相、湖相沉积物，以黏性土及粗颗粒土为主。下伏岩层为侏罗系上统西山头组（J3X）喷出相火山岩，岩性多为凝灰岩。本建筑的地下基础采用筏板桩基础。

2超限高层结构抗震设计分析

2.1抗震设计性能依据

本工程需要依据《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB50068-2018)、《建筑工程抗震设防分类标准》( GB50223-2019 )、《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010）、《建筑抗震设计规范(2016年版)》(GB50011-2010)等依据进行计算。同时遵守建筑所在地区的相关规范以及规程，结合场地地震安全性评价与岩土工程勘查技术报告进行抗震设计。

2.2抗震设计目标

在进行结构抗震性能设计时，首先应当分析结构方案的特殊性，选用适宜的结构抗震性能目标，并采取满足预期抗震性能目标的措施。根据地质情况、地震作用、结构用途以及使用者的特殊要求等开展抗震设计。抗震设计首先必须确保建筑结构安全性，其次需要做好结构设计与规范，满足大震的结构设计，在地震作用下能够确保地震结构稳定。结合本工程的各种因素，保证其结构能在多遇地震下较为稳定，在中震地震下结构稳定且能基本运行，同时当遇到大震时能保证该工程内的生命安全。在考虑整体结构时，也需要保证主要构件、次要构件的抗震性能，当遇到不同等级的地震时，能够保证其都能满足抗震要求。

2.3地震作用分析

超限高层结构与普通建筑结构有所不同，抗震设计与计算也有所不同。通常普通建筑结构采用规范建议的振型分解、底部剪力法等方法进行计算，超限高层结构超出了规范要求的范围，其结构与力学性能表现都有所不同。本工程因高度超限，为提高结构安全水平，对底部加强区剪力墙和框架柱的抗剪承载力按中震弹性设计，对于底部加强区剪力墙和框架柱的抗弯承载力按中震不屈服设计。

根据《建筑抗震设计规范(2016年版)》，本工程属于A级高层建筑，通常采用时程分析法进行计算。在计算的过程中，以实际强震和人工地震进行分别计算，所计算得到的地震波必须满足两个条件:建筑场地类别和设计地震分组应不少于人工模拟的时程曲线，而且其地震影响系数应与实际地震影响系数相同。

3超限高层结构抗震设计要点及措施

3.1构件重要性区分设计

根据不同的抗震性能目标，除要求小震下所有构件均应通过计算满足要求外，中震及大震下各不同部位的构件应按重要性分类，分别按不同的截面控制条件进行设计。

当构件失效可能引起结构的连续破坏或产生危及生命安全的结构严重破坏时，该构件应定义为关键构件，进行重点设计。关键构件一般包括:高层建筑的底部加强区的抗震主墙、穿层柱等。对局部大跨度、大悬挑和转换构件也应特别设定具有针对性的性能目标[1]。大开洞楼板也建议根据具体情况采取相应加强措施。

高层建筑通常会在底层设置通高的大堂、中庭或大空间多功能厅、宴会厅等，常造成楼板大开洞和穿层柱。穿层柱在小震弹性计算中由于计算长度长，与同层框架柱相比刚度小，往往分配到的地震剪力较小。但在实际地震中，当结构进入塑性变形阶段，同层框架柱的刚度退化，穿层柱在此时将承担较大剪力，若仅考虑弹性计算中的受力情况容易导致其先行破坏。钢筋混凝土楼板在平面内可看作刚体，是地震剪力分布传递至竖向构件的关键。当楼

板开大洞时在洞口周边会形成应力集中，并且对地震剪力的整体分布也会产生影响，应予以重点设计。

根据建筑结构的不同特点，关键部位也会有很大的区别，结构设计人员应从抗震概念上综合考虑，根据具体情况有针对性地确定关键构件。

对结构关键构件应采用比现行规范、规程的规定更严格的抗震措施以满足其预期性能目标。还可通过大震下的弹塑性分析检验其抗震性能，并按照其在大震下的破坏形态、损伤状况等分析结果调整、完善设计。例如:在设计中对大开洞楼板按需要进行温度、风载、地震作用等工况下的楼板应力分析，根据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)[2]相关要求进行楼板大震下专项抗剪验算，并提高楼板的构造要求[3]。对穿层柱可采用提高抗震等级、

进行并层计算、按中震或大震性能化设计、进行屈曲分析等多种设计方式。

除关键构件以外的普通竖向构件，应根据抗震性能目标的要求，明确相应的抗震等级，按目标要求进行中震下的设计，并结合大震弹塑性分析结果的定性或定量设计给予保障。

耗能构件则主要通过概念设计、构造措施，并可参考大震弹塑性分析结果的定性设计，来保证其在地震时的性能。

3.2结构薄弱部位设计

当结构有明显薄弱层时，除按规范要求增大薄弱层的地震力外，还应针对薄弱部位进行大震弹塑性分析。如有大跨、错层、连体等特殊结构情况，还应进行专项分析。

3.3隔震与消能减震设计

当初步分析或概念设计提示结构在地震作用下有很不利的响应，无法满足设计要求，或建筑本身的设防目标较高，普通结构不易达到要求时，可考虑进行隔震设计与消能减震设计。地震作用下，通过在结构中设置减震装置(阻尼器)来消耗能量，减少主体结构承担的地震作用，有效地保护主体结构在地震作用下的安全。

3.4结构弹性时程分析

按照《建筑抗震设计规范》的要求进行弹性时程分析，对比实际地震和人工模拟的情况，分析反应谱的情况。分析结果显示，弹性时程的层间位移角小于振型分解反应的层间位移角，楼层的剪力大于振型分解反应谱的剪力情况，施工图设计中需要适当放大震力进行计算，确保楼层的安全性。

3.5抗震措施

根据整体结构以及结构弹性时程的分析，建筑工程采取以下的方式加强抗震能力:(1)将框架—剪力墙结构的抗震等级提升一级，计算时放大震力因素，确保抗震能力高于规范要求的抗震能力;(2)采用型钢混凝土作为剪力墙的材料，加强材料管理，确保建筑材料满足建筑结构抗震需求;(3)采用合理的结构布置，尽量选择对称布置的剪力墙结构，确保建筑物的质心和刚心重合，同时加强楼板厚度，尤其需要加强薄弱部位的楼板刚度;(4)针对扭转不规则的构造设计，采用大梁宽作增大框架的刚度，并在剪力墙底部加设型钢柱，提高底部加强区剪力墙的配筋率。

4结语

本文对某超限高层结构的抗震性能进行分析，并且研究结构的抗震能力。当结构复杂程度超出了规范规定，或对建筑有更高要求时，应针对需要解决的问题进行超限结构的全流程抗震分析。了解建筑结构的超限情况，并采取相应的抗震加强措施，以达到性能设计的要求。结构工程师们应对抗震分析全过程有充分了解，本文探讨了超限结构的基本分析方法与要点，以便在工程实际应用中参考。

参考文献

[1]刘晨，闰秋实，孙海林合肥恒大广场超高层建筑结构设计[J]建筑结构2019 ,49 ( S2) :18-24

[2]混凝土结构设计规范:GB 50010-2010[S]北京:中国建筑工业出版社，2011

[3]樊嵘，章征涛，夏长春，等芜湖某超限高层结构设计与分析[J]建筑结构2019,49(S2) :36-40