超限高层结构抗震性能设计探讨

超限高层结构抗震性能设计探讨

李诚明

中南建筑设计院股份有限公司  湖北武汉  430069

摘要：随着时代的发展，人们对建筑物的需求日益多样化，建筑结构体系也愈趋复杂，由此产生了超限高层建筑——超出国家现行规范、规程中规定的适用类型的高层建筑，主要包括高度超限、规则性超限、结构类型超限、超限大跨空间结构4种情况。超限高层建筑受力情况复杂，不仅要考虑结构受力一般情况，还要关注水平荷载比重增加、风荷载和地震作用影响、舒适度验算、温度作用和风荷载下的内力与结构抗倾覆能力等因素，而要实现超限高层结构设计的合理性、安全性和经济性目标要求，关键在于结构的地震反应分析。因此，本文对超限高层结构抗震性能设计进行了探讨。

关键词：超限高层建筑;抗震性能;结构设计

1.超限高层结构抗震设计方法

1.1 超限高层结构的判别

高层建筑结构超限的判别主要依据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010)(2016年版)、《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）等相关规范的规定。高度超限是指建筑物的高度超过了规范规定的最大适用高度，例如，某33层塔楼建筑高149.7m，采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系，丙类标准设防，地震设防烈度为7度。按照JGJ3-2010第3.3.1条的限高规定，该建筑高度未超过B级框筒高度的180m，但超过了A级框筒高度的130m，属于高度超限建筑。规则性超限是指建筑结构属于相关规范、文件规定的特别不规则建筑，不论建筑高度是否超限，均可判定为规则性超限，例如，某高层建筑项目[4]由两栋塔楼组成，采用剪力墙结构体系，除了高度超B级高度以外，还有塔楼扭转不规则、凹凸不规则、刚度突变、抗剪承载力突变、大底盘裙房楼板超长等不规则性，属于高度超限兼规则性超限的建筑。结构类型超限为相关规范、规程中尚未列入的结构形式或特殊结构，例如，上部钢结构而下部为混凝土结构组合的高层结构、没有外框柱的筒体结构、没有内部核心筒的框筒结构、巨型框架结构等。超限大跨空间结构是指高度超过24m，屋盖跨度>120m，或悬挑长度>40m，或单向长度>300m，或屋盖结构形式超出《空间网络结构技术规程》（JGJ7-2010）规定的常用空间结构形式。

1.2 建筑结构抗震设计分析方法

建筑结构抗震设计最早采用“静力法”，按建筑物质量的0.1倍估计地震水平力。这种抗震设计方法极为粗糙，误差较大。随后提出了反应谱理论，利用反应谱计算结构动力特性，在很长时间里用于结构的抗震设计，然而这种方法仍有不足，因为在设计时将结构假定为线弹性体，将惯性力等视为静力进行计算，不能有效展示地震作用的时间效应、构件变形状态和损伤进展，结构进入弹塑性状态计算误差较大。针对反应谱法的不足，近来提出了基于性能的抗震设计，即在预定设计年限内，针对不同强度的地震作用，提出不同的预期性能目标，其与常规抗震设计在设防目标、实施方法和工程应用等多方面均有差别。常规抗震设防目标可概括为“小震不坏，中震可修，大震不倒”（三水准设防目标），但该目标仍然较为笼统，难以准确评估不同地震水准下的结构性能，而基于性能的抗震设计可以由业主对具体工程按使用类别及地震产生的影响程度，提出多个具体性能指标。常规抗震设计按照相关规范、指令的规定进行设计实施，通过弹性设计、内力调整、变形验算等步骤达到预期设防目标，一般通过两阶段实现，第一阶段针对多遇地震采用弹性结构模型进行设计；第二阶段针对罕遇地震采用弹塑性结构模型进行设计，而基于性能的抗震设计还需要通过预期的性能论证、必要的试验及专门的评估才能确认实施。在工程应用阶段，常规抗震设计执行相关规范、规程、文件的限制性规定，不利于新材料、新技术、新结构体系的发展应用，而基于性能的抗震设计有利于超限结构、复杂结构的应用。

1.3 基于性能的结构抗震设计方法

基于性能的抗震设计实质是根据建筑用途和重要性程度确定预期性能目标，再由不同性能目标制定相应的抗震设防标准，可针对不同风险水平的地震作用达到各种性能目标要求，一般通过以下三个步骤实现：一是根据建筑的用途、功能和业主的使用要求，通过投资与效益的分析，确定建筑结构的性能目标，GB50011-2010(2016年版)附录M给出了实现抗震性能目标的参考方法；二是根据确定的性能目标，选择适用的结构体系、材料和设计方法（不限于规范、规程规定的结构体系、材料和设计方法）进行设计；三是对所设计的建筑结构性能进行评估，达到性能目标要求即通知业主，达不到性能目标则需调整性能目标（返回第一步）或重新进行结构设计（返回第二步）。

目前，基于性能的抗震设计已形成基于承载力、能量、损伤、位移等多种设计方法。基于承载力的设计方法在目前应用最广泛，该方法也是现行规范采用的方法，多遇地震采用弹性计算法，超限结构和罕遇地震作用下需补充弹塑性分析方法。这种方法概念清晰，计算简便，分析一般构件比较准确，但因其非弹性计算采用简化处理方式，结果不够精确。基于能量的设计方法将地震输入结构能量分为结构振动消耗、结构构件变形消耗和结构构件开裂消耗三部分，如果结构耗散全部地震能量后没有倒塌，则设计满足要求，否则就要重新设计了。能量法设计的优点是结果比较准确，但建模比较困难。基于损伤的设计方法通过损伤指数量化损伤性能目标，并根据结构非弹性变形引起结构损伤的观点，如果结构塑性耗能与阻尼耗能之和不足以抵消地震输入结构的能量，则结构就会遭到损伤破坏乃至倒塌，反之结构安全。基于位移设计方法把位移控制作为结构性能目标，通过控制层间位移进行抗震设计。根据位移利用的方式，位移法分为直接位移设计法、按延性系数的设计方法、能力谱法。直接位移设计法直接将位移目标和破损程度作为设计目标。按延性系数的设计方法将延性系数作为抗震设计控制指标。能力谱法以能力谱曲线与需求谱曲线的交点作为最大反应点，能力谱曲线与等价线弹性体力-位移曲线的交点作为设计性能点，如果设计性能点位移谱值大于最大反应点，那么结构性能满足抗震要求，否则结构不安全。

2.超限高层结构抗震性能化设计应用

2.1 案例背景

高层住宅楼总建筑面积约25600m2，±0.000以上33层，±0.000以下3层，±0.000以上高度99.5m，室外地面以上高度104.3m。建筑高宽比为4.29，长宽比为1.37，体型系数为1.4。标准层面积809.2m2，层高3.0m～3.5m。设计使用年限为50年，Ⅱ类场地，抗震设防烈度为7度，基本地震加速度为0.10g，地震分组为第一组，特征周期取0.35s。风荷载取0.50k N/m2，地面粗糙度为B类。基础采用钻孔灌注桩，桩长5m～12m。结构体系采用全落地剪力墙结构，楼盖采用现浇钢混梁板体系，结构嵌固端为室外地面以下一层。剪力墙厚度200mm～300mm，混凝土强度等级为C30～C45，梁板混凝土强度等级为C25～C35，钢筋采用HRB400和CRB550。剪力墙、框架柱、框架梁的抗震等级为二级。设计软件采用PKPM系列的SATWE和EPDA以及CSI公司的ETABS。

2.2 超限的判别

根据《高层建筑混凝土技术规程》（JGJ3-2010）第3.3.1条，建筑高度未超过A级高度的120m，高度未超限，但存在Ⅰ类扭转不规则、凹凸不规则、组合平面、楼板不连续、尺寸突变等多项规则性超限，故判别该建筑属于超限高层结构。

2.3 抗震性能设防目标

根据工程特点、超限情况以及业主对结构的要求，确定重要构件抗震性能设防目标见表1。

表1 重要构件抗震性能目标

2.4 小震作用的计算

采用弹性法计算，考虑偶然偏心，扭转偶联，计算振型数取30，荷载折减系数取0.5，周期折减系数取0.9，结构阻尼系数取0.05等。SATWE计算前10振型自振频率为f1=0.3311s-1,f2=0.3477s-1,f3=0.4149s-1,f4=1.1329s-1,f5=1.2780s-1,f6=1.4249s-1,f7=2.1848s-1,f8=2.6795s-1,f9=2.8417s-1,f10=3.3167s-1。ETABS计算前10振型自振频率为f1=0.3258s-1,f2=0.3467s-1,f3=0.4041s-1,f4=1.1140s-1,f5=1.3203s-1,f6=1.4166s-1,f7=2.1601s-1,f8=2.7674s-1,f9=2.9154s-1,f10=3.3024s-1。可见，两个软件前10振型自振频率还是比较接近的。SATWE和ETABS计算第一扭转周期Tt与第一平动周期T1的比值分别为0.7980、0.8060。根据JGJ3-2010第3.4.5条，A级高层建筑Tt/T1不应大于0.9，因此结构抗扭能力满足规范要求。SATWE计算的X向与Y向有效质量系数分别为99.50%和99.58%,ETABS计算的相应数值均为94%，两种软件计算的有效质量系数均大于90%，可见所取振型数足够。SATWE计算的X向（11层）与Y向（17层）基本风压下最大层间位移角分别为1/1709和1/1294,ETABS计算的相应数值分别为1/1805和1/1377;SATWE计算的X向（14层）与Y向（20层）安评反应谱地震荷载下最大层间位移角分别为1/1493和1/1550,ETABS计算的相应数值分别为1/1411和1/1486，满足JGJ3-2010第3.7.3条风荷载和地震作用下层间位移角不大于1/1000的要求。SATWE计算的X向与Y向剪重比分别为1.48%和1.60%,ETABS计算的相应数值均为1.41%，满足GB50011-2010(2016年版)第5.2.5条0.016的要求。SATWE计算的X向（地下1层）与Y向（首层）偶然偏心地震作用下最大扭转位移比分别为1.26和1.19,ETABS计算的相应数值分别为1.319和1.203，虽然大于JGJ3-2010第3.4.5条规定的1.2倍，但未超过1.5倍。其他参数，如侧向刚度比值、抗侧力结构的受剪承载、结构刚重比、剪力墙最大轴压比等均满足相关规范要求，弹性时程分析结果也满足相关规范要求。

2.5 中震作用的验算

采用弹性法验算，取地震作用影响系数0.23，梁端负弯矩调整系数0.7，连梁刚度折减系数0.5。PKPM计算的0度（15层）和90度（21层）方向最大层间位移分别为1/563和1/539;ETABS计算的0度（15层）和90度（20层）方向最大层间位移分别为1/491和1/517。PK-PM计算的0度和90度方向剪重比分别为4.25%和4.60%,ETABS计算的相应数值分别为3.90%和4.00%。楼板内力分析结果显示，在双向地震作用下板配筋率0.33%可满足中震作用下的拉力要求。

2.6 大震作用的分析

大震作用采用弹塑性法进行分析，判断罕遇地震作用下结构是否倒塌，通过对建筑进行Pushover分析，校核小震下的弹性设计结果，确定大震作用下的破坏机制，发现结构中的薄弱环节。加载时，先施加重力荷载，再逐步施加水平荷载。根据分析结果，在X、Y两个方向性能点处的最大层间弹塑性位移角满足JGJ3-2010第3.7.5条剪力墙结构层间弹塑性位移角限值1/120的要求。

2.7 超限的处理

根据性能化抗震设计分析结果，为满足超限结构的抗震性能要求，应采取以下措施：控制剪力墙墙肢轴压比不大于0.6；剪力墙墙身水平和竖向分布筋加强部位配筋率不小于0.4%，构件边缘约束部位竖筋配筋率不小于1.2%；薄弱部位楼板应适当加厚，并采取双层双向配筋措施，最小单层配筋率应达到0.25%；错层处剪力墙分布筋最小配筋率应达到0.4%，连梁箍筋最小配筋率应达到0.5%，腰筋最小配筋率应达到0.4%。

3.结语

超限高层建筑为结构设计提供了多样化选择，但也因为超出规范要求，超限结构设计充满了挑战，要做出科学合理的设计，就应掌握超限结构设计方法，尤其是对基于性能的抗震设计方法熟稔于心，这样才有利于充分贯彻“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设防目标要求。

参考文献

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[4] 夏世群,杜涛,柳温忠,等.青岛富都国际广场超限高层结构设计[J].建筑结构, 2021, 51(12):19-24+55.