深圳宝安某超限高层住宅结构分析与设计

深圳宝安某超限高层住宅结构分析与设计

杨骑军

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摘要：运用基于性能的抗震设计方法，针对深圳宝安尖岗山地块某超限高层进行结构设计。采用YJK及MidasBuilding分析程序对结构进行了小震下的反应谱分析和动力时程补充计算及中震弹性及不屈服复核，并进行了大震作用下的静力弹塑性分析，且对关键构件及弱连接部分进行了局部受力分析。结果表明，结构抗震性能良好，结构体系安全可行。最后结合工程具体抗震设计性能目标，详细提出了采用的加强措施，为类似项目的工程设计提供参考。

关键词：超限高层建筑；性能设计；框支柱；框支梁

1. 工程概况

本项目位于深圳市宝安区西乡尖岗山大道与广盛路交叉口，临近京港澳高速。本项目由高层与多层住宅及配套设施组成，超限部分包括三栋高层住宅和一栋人才公寓，本文摘取其中一栋超限高层（1栋一二单元）进行阐述和分析。塔楼建筑编号为高层1栋一二单元，设两层地下室（负二层全埋，负一层为开敞），地上共31层，层高3150mm，主屋面相对正负零标高为99.7m。结构按一层地下室分析，嵌固端以上32层，结构高度为107m，高宽比为3.93。

抗震设防烈度为7度，基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，II类场地；风荷载50年重现期的基本风压为0.75kN/m2，地面粗糙度取B类，标准层结构布置见图1，首层框支层结构布置见图2。

图1

图2

框支柱截面尺寸为1300x1600、1600x1600，框支梁的截面尺寸为800x1200、1300x1800普通梁截面尺寸为200x500、200x650等，剪力墙最小厚度200mm，，最大厚度400mm，结构构件选用的混凝土强度等级见表1。

混凝土强度等级                    表1

2. 结构超限情况

根据全国《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，对结构超过相关规范规程的条款进行检查。具体统计见表2。

超限情况统计表                   表2

3. 性能目标的确定

根据工程的超限情况，参考相关工程的经验和咨询建设单位的要求，本塔楼选定抗震性能目标为《高层建筑混凝土结构技术规程》(DBJ 15-92-2013）中所提及的C级：多遇地震下满足第1性能水准的要求；设防地震下满足第3性能水准的要求；罕遇地震下满足第4性能水准的要求，各性能水准结构预期的震后性能状况见表3。

抗震设计要求及性能目标                    表3

4. 性能目标的实现
   1. 小震作用下性能目标的实现

采用YJK及MidasBuilding分析程序对结构进行小震作用下的计算分析，并对两者的计算结果进行分析比较。本工程计算时将首层定义为框支层，框支柱、框支梁按高规进行相应的内力调整。

4.1.1CQC分析计算

分别采用YJK结构分析程序及MidasBuilding分析程序计算得出结构前6阶周期，结果对比如表4所示。在地震和风荷载作用下，X、Y方向的最大弹性层间位移角均能满足广东省《高层建筑混凝土结构技术规程》限值1/800要求。X方向是由地震作用控制，Y方向是由风作用控制。两程序计算结果最大位移角值基本接近，其变化趋势相近。最大层间位移角的对比详表5及图3。

结构自振周期比较表4

最大层间位移角对比表5

4.1.2弹性时程分析

按照现行规范要求，应对结构进行小震作用下的结构弹性时程分析，采用YJK 进行结构计算。动力时程分析的地震波在YJK地震波库中选取。地震波的峰值加速度均按照规范小震的35cm/s2进行调整。共取七组时程曲线，根据规范计算结果可取时程法平均值和振型分解反应谱法之间的较大值。

项目所选七组地震波X向、Y向计算基底剪力平均值分别为CQC计算结果的82%和87%，有效持续时间一般为结构基本周期的（5~10）倍，计算峰值加速度为35cm/s2。所选七组地震波X向、Y向计算基底剪力平均值，大于CQC计算结果的80%；每条波计算所得结构底部剪力不小于CQC计算结果的65%，不大于135%；结构第一阶振型的周期点上相差6%，第二阶振型的周期和第三阶振型的周期基本一致；楼层最大层间位移角与CQC计算结果较为接近；由此可见，弹性时程分析结果与CQC计算结果整体符合较好。弹性时程分析所得到的基底剪力、最大层间位移角均满足规范要求。

4.2中震作用下性能目标的实现

经对比各构件在小震、中震作用下的计算结果：框支柱的抗剪、抗弯配筋均由小震控制；框支梁的抗剪、抗弯配筋均由小震控制；底部加强区剪力墙（框支层及以下部分）的抗剪、抗弯配筋基本由小震控制，局部位置由中震控制；底部加强区剪力墙（框支层以上部分）的抗剪配筋基本由小震控制，局部位置由中震控制，抗弯基本由小震控制，局部位置由中震控制；非底部加强区剪力墙抗剪、抗弯基本由小震控制，局部由中震控制；框架梁、连梁的抗弯及抗剪配筋由小震控制，抗扭配筋取小震与中震包络设计。

计算结果表明：

底部加强层剪力墙：满足中震抗剪弹性，中震抗弯不屈服的设计要求；框支梁、框支柱：满足中震抗剪弹性，中震抗弯不屈服的设计要求；标准层剪力墙：满足中震抗剪弹性，中震抗弯不屈服的设计要求；连梁、框架梁：满足中震抗剪不屈服的设计要求；由上可知，在中震作用下，本工程能够满足第3性能水准的要求。

4.3大震作用下性能目标的实现

本工程采用PERFORM-3D对结构进行弹塑性时程分析。通过结构动力弹塑性分析结果对结构性能进行评价主要从两个方面进行，一是从整体上对结构性能进行评价，这些指标主要包括位移指标、倒塌判断、薄弱环节、破坏形式及顺序等。二是从构件和材料层面上对其进行评价，包括混凝土材料屈服应变和钢筋塑性应变等。

大震下结构的阻尼比采用0.05的模态阻尼，再加上一个比较小的0.01的瑞利阻尼来进行结构分析。在非线性分析之前，比较Perform -3D、YJK模型的质量、基本周期和振型，各程序的计算结果均比较接近，误差在工程允许的范围内，具体详下表6所示。同时，大震弹塑性基底剪力与小震规范谱基底剪力比值如表7所示。

大震下的周期与质量结果对比                表6

大震弹塑性基底剪力与小震规范谱基底剪力比值表7

上表计算结果表明，大震作用下X向基底剪力是小震基底剪力的4.82~5.78倍，Y向基底剪力是小震基底剪力的4.93~5.15倍，而结构如果是全弹性，倍数关系为地震影响系数之比，即0.50/0.08=6.25，中震下倍数关系为0.23/0.08=2.875，本结构倍数关系处于两者之间，表明塑性开展在合理的范围之内。

使用Perform 3D CSI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抗侧力构件，包括剪力墙、框架柱（框支柱）、连梁、框架梁（框支梁）。模型考虑了所有抗侧构件的非线性。分析的主要结果如下：

（1）位移角：最大层间位移角1/166，小于1/120，满足规范的限值。

（2）大震下，关键构件框支柱、框支梁、底部加强区剪力墙均未屈服，满足性能目标要求。普通竖向构件非底部加强区剪力墙，混凝土受压及钢筋受拉均未出现屈服，抗剪截面满足要求。

（3）耗能构件连梁、框架梁大部分出现屈服，延性达2~4倍，在大震下发挥了良好的耗能作用，符合结构概念设计的要求，满足设定的性能目标。

（4）框支柱钢筋未出现受拉屈服，混凝土压应力未超过fck，剪力未超过截面控制的抗剪承载力。满足框支柱抗弯、抗剪不屈服性能目标。

（5）综上所述，采取以上措施可确保本结构在大震作用下能实现拟定的性能目标

5.多塔专项分析

建筑设置两层地下室，建筑负二层为全埋地下室，地下一层为开敞式地下室，同时建筑地下一层未分缝，对于结构而言，即为带一层地下室和一层裙房的大底盘多塔结构，需要进行多塔整体模型计算，对大底盘及多塔进行分析，并与单塔计算模型结果对比。

在单塔计算模型中组装了两跨范围内的裙房，对此范围内框架柱柱底剪力与多塔模型的计算结果对比，截取的相邻处部分框架柱在地震作用下及风荷载作用下的柱底剪力，通过比较，相邻塔楼与裙房相邻处的框架柱在地震作用和风荷载作用下的柱底剪力，单塔计算模型相比多塔结果大。

另外，通过比较，两种计算模型中的楼层层间剪力除了Y向底下几层的层间剪力相差较大，裙房部分以上的楼层剪力大小相差不大，变化曲线基本一致；单塔和多塔模型结果中最大层间位移角均满足规范规定的1/800,且两者最大层间位移角所在的楼层位置也一致。两个计算模型的框支柱在地震作用和风荷载作用下的柱底剪力，单塔计算模型结果总体比较大。

综上对多塔专项内容的分析中，两者模型对比相差不大，符合预期结果。在设计时，应对多塔模型和单塔计算模型取包络设计。

6.抗震加强措施

针对本项目结构特点及小震、中震、大震分析计算，对结构体系进行了抗震构造加强，措施如下：

1)框支层按特一级设计；底部剪力墙墙身分布筋配筋率取0.4%；框支框架按特一级设计；

2)按照底部剪力墙和框支框架的中震性能目标进行了抗弯不屈服和抗剪弹性验算，部分构件采用中震结果进行加强设计；

3)框支梁根据大震分析结果，复核了抗弯承载力，适当提高纵筋配筋率；

4)框支柱性能化设计的基础上，补充了框支梁底的截面抗剪验算，确保框支柱实现大震抗剪弹性的性能目标

5)调整了落地墙厚度和框支柱截面，确保框支框架分担倾覆力矩比，楼层刚度比和楼承抗剪承载力比符合规范要求；

6)根据多塔分析结果，加强框支层与塔楼相关范围的楼盖设计，进行多塔与单塔的包络设计；

7)根据有限元分析结果，对框支层楼板进行局部钢筋附加，使之满足楼板正应力叠加弯矩要求，并满足规范抗剪要求。

7.结语

采用基于性能的抗震设计方法，对深圳宝安尖岗山地块某带梁式框支层的框支剪力墙超限高层结构进行了设计。从概念设计的原则入手布置结构体系，采用两个不同的弹性分析程序YJK和Midas Building进行分析对比，各项整体反应指标接近，各项指标满足规范要求；采用Perform3D进行了大震弹塑性时程分析，整体反应结果可信，各类构件实现了预定性能目标，最大层间位移角满足规范要求。同时，对塔楼进行了多塔整体分析，对比了多塔与单塔的整体反应指标和关键构件内力差异，进行包络设计；分析结果用于调整结构布置，从而进一步指导后续施工图设计，确保了结构体系合理、刚度和承载力合适，使得结构具有较好的延性，经济又安全，实现了良好的结构抗震性能。

参考文献

[1] DBJ/T 15-92-2013 广东省标准《高层建筑混凝土结构技术规程》.北京：中国建筑工业出版社，2013

[2] JGJ 3-2010 《高层建筑混凝土结构技术规程》.北京：中国建筑工业出版社，2011

[3] GB 50011-2010 《建筑抗震设计规范》.北京：中国建筑工业出版社，2016局部修订版