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某超限高层建筑的结构设计与分析
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摘要：本文介绍了广州某超限高层建筑的结构设计与应用，详细介绍了方案选择、结构布置、结构分析与构造处理，并结合此工程总结了此超限高层建筑结构设计的关键问题。
关键词：结构超限 结构选型 弹塑性静力分析
1引言
本工程位于番禺南村南大干线以南，西侧毗邻汉溪大道，包括3栋43层超高层住宅及2层地下室。地下一层为住宅配套用房、设备用房和车库；地下2层为车库，局部战时作为人防工程使用。地上一层为架空层，局部为商业用房，二层及以上均为住宅。
2 结构选型与结构布置
本工程地震和风荷载等水平力由结构的抗侧力体系承担。由于建筑效果的需要，建筑在x向设有较多的门、窗，结构不可设置过多的x 向剪力墙，为保证x向的整体抗侧能力，三栋塔楼x方向连在一起共同抵抗侧向力。从体型上来说，Y向的抗侧刚度是较弱的，需要设置较多的y向剪力墙，以保证y向的抗侧刚度。在另一方面，由于此结构的平面x、y方向尺寸相差较大（L/B=3），为保证结构足够的抗扭刚度，尽量在周边设置较强的剪力墙。经综合分析，结构采用现浇钢筋混凝土剪力墙结构。
本工程各栋楼盖均采用整体性良好的现浇混凝土梁板式结构。首层作为上部结构嵌固端，楼板厚度不小于180mm。标准层局部位置为保证建筑厅、房不露梁的效果，局部设置大板。核心筒开洞较多，为保证楼层平面内刚度，核心筒范围内板厚度不小于150mm。（标准层结构平面图详图1）

图1 标准层结构平面布置图
3 结构超限类型和程度
参照《建筑抗震设计规范》[1]、《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]及广东省实施《高层建筑混凝土结构技术规程》补充规定[3]有关规定，结构超限情况详表2.1。
表2.1 结构超限类型
结构高度超限
超A级高度建筑的最大适用高度
（138.30米>120米）
是否为复杂高层
否（全部落地剪力墙钢筋混凝土结构）
扭转不规则
Ⅱ类
狭长、凹凸不规则
否
楼板局部不连续
否
侧向刚度不规则
否
竖向抗侧力构件不连续
否
楼层承载力突变
否
整体超限情况
共2项指标超限：1、超A级高度建筑的最大适用高度； 2、Ⅱ类扭转不规则。
4结构分析
4.1 风荷载作用下的结构分析
风荷载作用下的结构计算，计算模型按刚性楼板假定，连梁的刚度折减系数为0.85。广州市基本风压：重现期为50年时，W0=0.50kN/m2；重现期为100年时， W0=0.60kN/m2；地面粗糙度类别为C类；风载体型系数：1.4。
风荷载作用下的结构位移计算分别采用空间程序SATWE和ETABS进行计算。计算结构详表3.1和表3.2
表3.1 各栋风荷载作用下的层间位移角及最大位移（重现期为50年）

SATWE
ETABS
最大层间位移角
（层号）
X向：1/2060 (20F)
X向：1/2354 (19F)
Y向：1/1367 (29F)
Y向：1/1567 (27F)
顶点位移(mm)
X向：52.51
X向：45.4
Y向：73.78
Y向：66.1
两个分析软件的结果基本吻合，X、Y向的最大层间位移角均满足规范1/1000的要求。
表3.2 各栋风荷载作用下的总剪力及基底倾覆弯矩（重现期为100年）

SATWE
ETABS
总剪力
（kN）
X向：Vx= 8063
X向：Vx=7277
Y向：Vy= 15799
Y向：Vy=15840
基底倾覆弯矩
（kN.m）

X向：Mx= 676601
X向：Mx=617520
Y向：My= 1322068
Y向：My=1299600
从以上楼层内力表可见，两个分析程序所得的结果基本一致，均在合理范围内。
通过计算可知，Y向的受风面积大且高宽比较大，Y向风荷载下的结构刚度问题较为突出。因此，增强Y向刚度对抵御风荷载的作用是必要的，控制风荷载作用下的位移及位移角是结构设计的主要控制因素。
4.2 常遇地震作用下的结构分析
本工程属丙类建筑，场地地震基本烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.1g，建筑场地类别为Ⅱ类，地震分组为第一组。常遇地震作用下结构的弹性整体计算分别采用空间程序SATWE和ETABS进行计算。
本工程以首层作为嵌固端，对塔楼单独进行结构计算。整体计算的主要结果如表3.3所示
表3.3 常遇地震作用下整体计算结果
软件
SATWE
ETABS
单位面积重度（T/㎡）
1.5
1.5
第一、二平动周期（s）
及方向
4.0163 (X)
3.902 (X)
3.3100 (Y)
3.176 (Y)
第一扭转周期（s）
2.9865
2.932
第一扭转周期/第一平动周期
0.74
0.75
地震下基底剪力(kN)
X向：13185
X向：12750
Y向：14607
Y向：14310
剪重比
X向：1.46%
X向：1.4%
Y向：1.60%
Y向：1.6%
地震下基底倾覆弯矩（kN*m）
X向：1090221
X向：1063000
Y向：1122782
Y向：1105000
有效质量系数
X向：97.88%
X向：99%
Y向：95.97%
Y向：99%
最大位移（mm）
X向：105.23
X向：99.3
Y向：79.74
Y向：86.9
地震作用下最大层间位移角（层号）
X向：1/1047 (23 F)
X向：1/1069 (23 F)
Y向：1/1197 (31 F)
Y向：1/1063 (30 F)
考虑偶然偏心最大扭转位移比（层号）（对应层间位移角
X向：1.05 (37F, 1/1231)
X向：1.03 (37F, 1/1335)
Y向：1.33 (43F,1/1091)
Y向：1.22(1F,1/7855)
地震作用下，本层层间位移角与上层层间位移角的1.3倍或上3层层间位移角平均值的1.2倍比值中的最大值
X向：0.88 (36F)
X向：0.80 (F38)
Y向：0.85 (35F)
Y向：0.76 (F37)
地震力作用下，本层侧向刚度与上层侧向刚度70%的比值或上三层平均侧移刚度80%的比值中之较小者
X向：1.26 (1F)
X向：1.39 (1F)
Y向：1.47 (1F)
Y向：1.57 (1F)
刚重比EJd/GH2
X向：2.68
X向：3.43
Y向：3.96
Y向：4.82
根据上述整体计算结果，SATWE、ETABS计算结果基本吻合。由SATWE的计算结果可知，此工程在考虑偶然偏心影响的地震作用下的最大扭转位移比为1.33，根据《省高规》[3]附件表4-2.2，结构属于扭转Ⅱ类不规则平面，但也属于规范的合理范围。其他的计算结果也均符合规范规定的要求。
4.3 罕遇地震作用下的结构分析（弹塑性静力分析）
针对此工程的超限情况，为更全面的把握结构的抗震性能，对结构进行静力弹塑性推覆分析计算分析。
静力弹塑性推覆分析采用中国建筑科学研究院编制的多层及高层结构弹塑性静力、动力分析软件PUSH&EPDA。计算假定采用刚性楼板假定，材料强度采用标准值，弹塑性分析中的配筋数据基本来自SATWE软件的小震计算结果（基本上可作为施工图的依据，底部加强区剪力墙配筋适当加大）及规范要求，即弹塑性模型的配筋参数与实际配筋已较接近，其分析结构是接近真实的。加载顺序与水平荷载竖向分布模式，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倒三角形的水平荷载。（结构的能力曲线需求曲线及抗倒塌验算图详图2、图3）

图2 结构的X向能力曲线、需求曲线及抗倒塌验算图

图3 结构的Y向能力曲线、需求曲线及抗倒塌验算图
通过对结构X向及Y向的弹塑性静力推覆分析，该工程X向的需求层间位移角为1/161，与需求点向对应的总加载步号为37。该工程Y向的需求层间位移角为1/243，与需求点向对应的总加载步号为37。
通过分析可知，在整个推覆过程中可以看出，在性能点处，整个结构首先是框架梁端产生塑性铰，且进入塑性阶段的时间也比较早，分布也比较广泛；剪力墙连梁大部分开裂，并且部分已经屈服，说明在大震作用下剪力墙连梁刚度明显退化；在底部加强区，尤其是首层及二层，在大震作用下剪力墙出现较多水平和斜向裂缝，而其它层则只有较轻微的局部裂缝，说明在整体结构中底部几层比较薄弱，在设计中应予以加强。尤其是裂缝开展比较多的墙体，宜适当提高该墙段边缘构件的配筋率和竖向分布筋的配筋率，以提高其抗拉和抗压承载力。
通过以上分析，结构在罕遇地震作用下，关键部位构件仍可处于不屈服状态，性能点处的最大层间位移角均小于规范规定的1/120的弹塑性层间位移角限值，满足规范的抗震设防目标。
5针对超限情况采取的主要措施
针对本工程的超限情况，结构设计中采用了一些有针对性的计算手段及构造措施。
常遇地震作用下：采用空间程序SATWE和ETABS进行比较计算；考虑偶然偏心地震作用，双向地震作用，扭转耦连；对底部加强区剪力墙、连梁等关键部位采用两个计算程序的计算结果包络值进行设计。
偶遇地震作用下：采用SATWE对结构承载力进行复核，根据抗震设防目标，对关键构件的抗震性能按弹性和不屈服计算。
罕遇地震作用下：采用PUSH对结构进行静力弹塑性推覆分析,估计结构的整体和局部弹塑性变形，对关键部位构件进行指导设计。
按规范要求，选用两组场地上的地震波和一组《地震安全性评估报告》所提供的场地人工波，对结构进行弹性时程分析，并将结果与反应谱分析结果相比较，对反应谱结果未能反映的情况加以专门处理。
考虑到此结构刚重比小于2.7，整体计算时进行P-△效应验算。
针对结构扭转不规则（属于Ⅱ类）。加强外围墙肢的水平筋，提高构件抗剪能力，同时将扭转超限楼层的外围连梁提高配箍率和增加抗扭筋的设置，以提高结果的抗扭刚度和构件延性。
参考文献
[1] 中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范(GB50011—2010) [M].中国建筑工业出版社,2010
[2] 中华人民共和国行业标准.高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3—2010)[M].北京:中国建筑工业出版社,2010
[3] 广东省实施《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）补充规定[M].广东省建设厅:中国建筑工业出版社,2005

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