某超限高层结构设计与抗震性能分析.pdf

四川建筑第43卷第4期建筑论坛与建筑设计某超限高层结构设计与抗震性能分析黄金（中信建筑设计研究总院有限公司，湖北武汉430 0 14）【摘要】某工程结构高度为157.7 m，框架核心筒结构体系，属于B级高度。基于抗震性能化设计方法，梳理了项目的结构体系与超限情况，对结构进行多遇地震、设防地震、罕遇地震条件下结构分析计算，并提出有效的结构抗震加强措施。分析结果表明,结构整体受力良好，各项性能指标都能达到规范预定要求。【关键词】超限高层；B级高度；弹塑性分析；抗震措施【中图分类号】TU973.3*11工程概况本工程总建筑面积6 557 2 m，由一栋高层写字楼及6层商业裙楼组成，主楼的建筑物总高度为157.8 m，结构高度157.7m，建筑物地下3层、地上38 层。其中，第1 6 层为商业区，7 38 层为办公区域，高层塔楼与裙楼之间设防震缝分开，该缝兼作温度缝。本工程的设计基准期为50 年，结构主体抗震设防类别为丙类，由于容积率大于4.5,17 层楼面为重点设防类，抗震等级提高一级。17 层楼面的重要构件安全等级为一级，其他构件安全等级为二级，结构嵌固端设为一层楼面。工程的抗震设防烈度为6 度（0.0 5g），设计地震分组为第一组，场地类别为II类，结构基本情况如表1所示，地震参数取值见表2。表1结构基本情况结构类型框架一核心筒钢筋混凝土柱一钢筋混凝土楼面梁板一钢筋混凝结构材料土剪力墙（13层及13层以下为钢骨混凝土柱）设防烈度6度（其中1 7 层楼面为7 度）标准设防类（丙类）抗震设防类别（其中17 层楼面为重点设防类一乙类）安全等级二级（其中17 层楼面竖向构件为一级）嵌固位置1层楼板地下3层抗震等级地下2 层（筒体、框架）地下1 6 层7层以上2结构体系及超限判断2.1结构体系本工程采用框架一核心筒结构体系，属于B级高度，利用建筑中部公共交通区域布置核心筒剪力墙，剪力墙能够提供比较有效的抗震、抗风的抗侧力体系，在建筑物周边布置框架柱，如图1所示。楼面采用双向布置的混凝土楼面梁板【文献标志码】A表2 地震参数烈度中国地震动参数区划图参数小震地震设防烈度地震分组地面运动峰值加速度/(cm/s)场地类别maxT./s周期折减系数体系，1层楼板为地下室顶板，是结构的嵌固端，楼板最小厚度取18 0 mm，2 层、5层楼板存在大开洞，洞口周围楼板厚度取为150 mm。结构嵌固端设为一层楼面，结构主体室内外高差为1.1m，为保证地震力与楼板错层处能有效传递，错层处的外框柱形成短柱，此处框柱的抗震等级为一级，体积最小配箍率增加为1.5%，楼板错层处采用局部楼板加腋的加强措施，结构平面模型示意图如图2 所示。+3级2级1级2级中震6度第一组16.3849.03I0.04170.1250.350.350.851.0+外框柱核心简图1建筑结构体系2.2超限判断项目建筑高度为157.8 m，根据超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点（建质2 0 15 6 7 号）规定 ，超定稿日期 2 0 2 2 -0 5-18作者简介黄金（1990 一），男，硕士，工程师，一级结构工程师，从事结构设计工作。39大震112.770.28750.401.0框架梁楼板综合抗侧力系统建筑论坛与建筑设计图2 标准层结构示意出限值150 m，属于超限高层建筑。本结构为超限项目，需要进行抗震超限审查,存在的超限类别为高度超限和规则性超限。其中，规则性超限主要为扭转不规则和楼板不连续。3结构抗震性能目标项目的抗震设计在满足国家和地方规范的同时，需根据性能化抗震设计的概念进行设计 2-3。针对不同的地震水准，根据JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程 41设定抗震性能目标为D+，多遇地震性能水准为1,设防地震性能水准为3,罕遇地震性能水准为5。中震下的构件抗震性能目标采用等效弹性计算方法验算，大震下的构件抗震性能目标采用动力弹塑性分析验算。4结构计算与分析4.1多遇地震弹性分析采用YJK和MidasBuilding进行计算，以保证计算结果的准确性 5,结果如表3所示。由表3、图3可知,结构自振周期、刚重比、地震及风荷载作用下的最大层间位移角等参数均满足规范各种指标的控制要求，符合工程经验及力学概念所作的判断,结构是合理的，计算结果均满足现行国家规范及规程的要求。403530252015+105+0.9（a）X 向规定水平地震力作用下层间位移比图3规定水平地震力作用下层间位移比4.2设防及罕遇地震下楼板应力分析本工程结构平面近似为正方形，鉴于结构的2 层和5层楼面存在大开洞，因此对结构在设防地震和罕遇地震作用下的楼板应力进行了分析，通过应力分析，找出结构楼面体系中相对薄弱部位。楼板内力计算采用反应谱法，楼板采用弹性板6，楼板在梁处剖分，最大单元尺寸为1m，图4图7 为2层楼板计算结果。由图可知,结构在设防地震和罕遇地震作用下,应力集中区域基本一致，均主要出现在楼板洞口周边、连梁周边、竖向构件角部等区域。为了减小对结构自重的影响，可对应力集中区域局部采取加强楼板配筋等措施适40四川建筑第43卷第4期表3多遇地震作用下整体计算结果计算程序竖向荷载/T1(Y向平动)自振周期/sT2(X向平动)T3(扭转)周期比(T3/T1)X向质量参与系数/%底层剪力/kN（地震作用）刚重比最大层间位移角（地震作用）最大层间位移角（风荷载控制）最大层间位移比（考虑偶然偏心）当提高配筋率，必要区域可适当配合增加楼板厚度，使其在中震和大震作用下楼板裂缝宽度及刚度退化程度得到有效控制。-YJK层间位移比-Midas层间位移比一位移比限值4035302520151051.01.2YJK949044.8673.8843.4680.71391.97Y向94.13X向8249Y向8249X向2.746Y向1.752X向1/2019Y向1/1396X向1/3068Y向1/1734X向1.20Y向1.23图4X向设防地震作用下图5Y向设防地震作用下2层楼板最大剪应力分布2层楼板最大剪应力分布102130.9（b）Y向规定水平地震力作用下层间位移比MIDAS944285.1623.9813.6610.70991.9795.32824982492.891.741/23751/16181/28331/14791.211.241.01.11.21.3图6 X向罕遇地震作用下2层楼板最大剪应力分布4.3关键构件中震不屈服验算结构在中震作用下，由于部分构件屈服，结构的整体阻尼会增大，周期也会增长，本分析所采用的主要参数如表4所示。根据性能目标要求，框架柱为关键构件，应满足正截面不屈服,受剪弹性。采用YJK程序对该构件进行中震作用下的正截面、斜截面验算。由计算结果可知，框架柱配筋正常，图7 Y向罕遇地震作用下2层楼板最大剪应力分布黄金：某超限高层结构设计与抗震性能分析表4中震等效弹性分析设计参数地震作用影响地震组合内力0.125系数最大值特征周期Tg/s等效阻尼比连梁刚度折减周期折减系数风荷载通过合理的配筋，所有框架柱构件正截面能满足中震不屈服的设计要求，所有核心筒剪力墙斜截面抗剪能满足中震弹性的设计要求。中震下各楼层剪力墙正截面满足不屈服，斜截面均满足弹性要求，施工图设计时应按中震计算配筋结果包络设计。4.4大震弹塑性时程分析在对结构进行大震作用下的弹塑性时程分析时，根据场地特征周期、频谱特性以及有效持续时间等控制条件选取1组人工波(R1)和2 组天然波（T1、T 2)作为时程输人。由图8、图9 可知，大震作用下的结构主体峰值层间位移角参考值X向最大值出现在第2 1层，为1/342;Y向最大值出现在18层，为1/2 33,均满足第五性能水准中有关层间位移角的要求。407353025-2015-1050+04073530-2520-151050图10 为47.5s时刻剪力墙整体的剪切情况，从剪力墙整体来看，到地震波结束时，9 6.7%的剪力墙混凝土剪切应变等级为1和2，处于弹性状态；1.7%的墙单元应变等级为3，处于屈服前阶段；1.5%的墙单元屈服，没有墙单元处于极限状态。可以看到，破坏主要集中在边缘构件部位或与连梁相交接部位,破坏程度较低，满足第五性能水准要求。从核心筒外筒整体来看，到地震波结束时，96.2%的剪力墙混凝土剪切应变等级为1和2，处于弹性状态；1.5%的墙单元应变等级为3，处于屈服前阶段；2.3%的墙单元屈服，没有墙单1.0调整系数0.35作用分项系数0.055材料分项系数0.50抗震承载力调整系数1.00材料强度不考虑R1-T1T2-大震位移角限值1/5001/250X向大震弹塑性层间位移角图8 X向层间位移角R1-T1T2-大震位移角限值1/5001/250Y向大震弹塑性层间位移角图9 Y向层间位移角元处于极限状态。可以看到，破坏主要集中在边缘构件部位1.0或与连梁相交接部位,破坏程度较低，满足第五性能水准中，1.0允许关键构件中度损坏的要求。图11为过渡层(5 6 层楼面）核心筒外筒剪切情况，过1.0渡层外筒有1.2%的墙单元屈服，屈服墙单元损坏主要集中标准值在与连梁相交接的部位。最大剪应力为0.5MPa，受剪不屈服的条件为0.7 ik=0.72.85=1.995MPa,受剪截面的条件为0.15fck=0.1538.5=5.775MPa，可以看出过渡层墙体几乎全部满足受剪不屈服要求。Eidas Buildins12.0JC(T)无图10 47.5s时刻剪力墙整体的剪切情况（a）核心筒外筒混凝土剪切损伤（b）核心筒外筒混凝土剪切应力图11过渡层（5 6 层楼面）核心筒外筒剪切情况3/5001/1253/5001/125midas Buidins484.40903.118322244.13340.04540.00.13834-6.2272442901/1004.5大震弹塑性时程分析总结本结构层间位移角参考值小于抗震设防规范的1/111，结构满足“大震不倒”要求。大震作用下，核心筒外筒有少量单元混凝土剪切屈服破坏，破坏主要集中在边缘构件部位或与连梁相交接部位，所有框架柱关键构件均没有屈服。大震作用下，耗能构件发生较为严重损坏，部分框架梁出现屈服塑性铰，大部分连梁混凝土剪切屈服破坏。耗能构件起到了耗能作用。-5结构抗震加强措施1/100(1)采用天然筏板基础，基础埋深与建筑物高度比值约为1/9.4,大于规范1/15,并且天然筏板基础以(6-2)层中风化粉砂质泥岩作为持力层，沉降量很小。(2)底部加强区，1层楼面5层楼面核心筒约束边缘构件墙体按照竖向钢筋配筋率1.2%；过渡层，5 6 层楼面核心筒角部约束边缘构件墙体按照竖向钢筋配筋率1.2%；6层楼面至7 层楼面核心筒角部约束边缘构件墙体按照竖向钢筋配筋率1.2%筋配筋0.9%进行；7 层楼面以上核心筒角(下转第45 页)41魏至，王钟箐：川西近代公馆中西合璧特征研究传统文化的遗产价值意识的迅速提升，也导致了对历史遗产研究结论：的保护意识不够成熟，许多不成熟的历史遗迹的修转变成（1)从建筑特征、结构特征讨论了李家钰兄弟公馆中西加速对历史遗迹的破坏。因此在对公馆的保护上需要进行合璧的特征点。深思熟虑的探讨，借鉴成功的保护实践案例，总结并系统性（2）对现有公馆保护提出建议。的探索其保护方法，为其他公馆的保护和修提供理论指导。同时在本次调研之中也发现针对李家钰兄弟公馆的保护工作已经完成，但是公馆并没有对外完全开放。对于此种情况希望对于公馆的保护不仅仅是修更重要的是要体现出其价值，建议对修完成的公馆进行其建筑、人文、历史介绍，并对大众开放来体现出其价值。5小结本文以李家钰兄弟公馆为研究对象，围绕其建筑形式和结构等展开讨论其中西合璧特征，这是对现有川西地区公馆研究的有力补充，在一定程度上弥补了现有研究的不足之处，同时也能够为今后公馆研究历史提供一定的辅助。川西公馆是在重庆开埠后，川西地区经济、文化等快速发展时期。当西方的文明之风拂过川西这片传统大地的时候，这些军阀出身或者有着军阀背景的领导者们就率先接受了这样的改变，所以其公馆多呈现出中西合璧的特点。公馆发生改变也记录着当时建筑业的变化，本文的主要一一以李家钰兄弟公馆为例参考文献1周询.芙蓉话旧录M成都：四川人民出版社，19 8 7.2中国社会科学院语言研究所词典室。现代汉语词典.第5版 M.上海：商务印书馆，2 0 0 5.3庞启航成都地区近代公馆建筑形态研究D.成都：西南交通大学,2 0 0 8.4罗明对长沙近代公馆建筑形态的类型学研究 D.长沙：湖南大学,2 0 0 5.5赵蜀玉，成都民国公馆中西合壁特色与馆主的军阀背景关系探讨 J.佳木斯职业学院学报，2 0 18（5）：7 5-7 6.6卢丽洋，李法璋.成都近代公馆建筑特色研究 J.工业建筑，2018,48(3):46-51.7张圭.成都民国公馆建筑美学特征分析及其保护利用 J.美术大观,2 0 15(7):116-117.8符英，杨豪中，贺林，等.受西方建筑文化影响的西安近代公馆建筑研究 J.建筑科学,2 0 0 9,2 5（4）：6-10.（上接第41页）部约束边缘构件墙体按照竖向钢筋配筋率1.0%。核心筒剪力墙设置暗梁，暗梁截面高度同楼层典型连梁高度。(3)2层、5层存在大开洞，核心筒内外楼板厚度增大到150mm。保证核心筒竖向刚度变化均匀平缓，核心筒墙体厚度的改变以及墙体混凝土等级的改变不在同一楼层进行。(4)连梁控制剪压比,箍筋按小震弹性和中震等效弹性包络配筋，对于剪压比超限的连梁采用交叉斜筋或此部位设置双层连梁以提高其抗震性能。（5)施工图设计时,应根据抗震性能设计要求，对相关构件配筋采用小震+风与中震分析结果包络设计，对关键构件抗剪配筋尚应采用小震+风与大震分析结果包络设计。(6)按规范要求设置暗梁，并在上部筒体与框架梁相交处设置壁柱或端柱,加强结构抗震性能。6结束语(1)在多遇地震作用下，本结构周期比、结构层间位移角等都满足现行规范的相关要求。（2）关键构件在中震作用下的正截面承载力满足不屈服要求，其受剪承载力满足弹性要求。（3）采用弹性楼板模型对结构楼板进行有限元分析，板面拉应力集中在核心筒角部及洞口部位，压应力及剪应力均未超过规范的材料限值。（4)本结构虽具有高度超限、扭转不规则和楼板不连续等超限指标，但通过结构优化，并采取一系列抗震加强措施，使结构具有良好的抗震性能，满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设防目标。本工程设计成果可为同类超限高层结构设计借鉴。1中华人民共和国住房和城乡建设部。超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点：建质 2 0 15 6 7 号 S.2015-05-21.2陈旭元.超限高层建筑结构基于性能抗震设计的研究 J山西筑，2 0 17,43(33)：45-46.3卢一麟，尹凤霞，郭献洲超限高层建筑结构抗震设计加强措施和建议一一以某超限高层建筑为例J地震工程学报，2018,40(6):1252-1258.4徐培福，傅学怡，王翠坤，等复杂高层建筑结构设计 M.北京：中国建筑工业出版社，2 0 0 5.5中国建筑科学研究院.高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ3一2010S.北京：中国建筑工业出版社，2 0 10.参考文献45