某复杂结构超限高层建筑分析与设计

□文/张凤华

某复杂结构超限高层建筑分析与设计

□文/张凤华

天津市北辰区盛景酒店地下1层，地上7层，采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系；是具有扭转不规则、凹凸不规则、楼板局部不连续及侧向刚度不规则等项的超限高层建筑。工程采用3种软件进行小震下反应谱分析。计算结果表明，结构的周期比、剪重比、层间位移角等均满足规范要求。在反应谱分析的基础上，采用PK PM软件对结构进行了弹性时程反应分析，结果显示，弹性时程分析结果的平均值基本都小于反应谱分析的结果。在小震分析的基础上，选取了几个关键结构构件进行了中震不屈服校核，结果显示，构件能够满足中震不屈服的性能目标；同时采用PU SH程序对其进行大震下的静力弹塑性分析。

超限；高层建筑；复杂结构

1　工程概况

天津市北辰区盛景酒店总建筑面积约为9.0万m2。地下1层，地上7层；地下室层高5.4m，首层层高6.0m，2层层高7.2m，3～7层层高均为4.2m（局部中间塔楼7层层高为6.0m），室内外高差为1.45m，建筑物总高为37.40m。地下建筑使用功能主要为车库及设备、后勤、娱乐活动部分；1～2层主要为各种商务宴会厅及餐厅部分；3层以上为酒店客房部分。

2　风荷载和地震作用[1]

2.1风荷载

天津地区基本风压为0.5 kN/m2(50 a一遇)，场地粗糙度为B类，体型系数取1.4，本工程风荷载作用下结构位移按50a一遇风荷载进行设计。

2.2地震作用

工程位于天津市北辰区，设计基本地震加速度为0.15g，抗震设防烈度为7度，设防地震分组为第二组，特征周期Tg为0.55 s；场地类别为Ⅲ类，阻尼比取0.05。水平地震影响系数最大值amax按表1选用。

表1　水平地震影响系数最大值

3　结构选型与布置

3.1结构体系

工程建筑体型大致情况：1～4层整体为大底盘，5层以上分为3个塔楼（中间部分为塔1，左侧为塔2，右侧为塔3）。大底盘部分不设置结构缝，保证建筑的外立面效果。结合建筑平立面的方案要求及结构专业规范要求，综合多方面因素，采用框架-剪力墙结构体系，剪力墙主要布置在建筑的楼梯间、电梯间及建筑物的周边。楼面体系采用现浇钢筋混凝土主次梁楼盖，局部楼板开洞。框架柱网尺寸主要为7.2m×7.2m。大底盘结构平面和上部3个塔楼的平面布置见图2和图3。

图2　大底盘结构平面布置

图3　分塔结构平面布置

3.2主要构件截面

大底盘局部31m跨宴会厅为提高结构的刚度和延性，有效控制柱截面尺寸，采用型钢混凝土框架柱，柱截面为1000mm×1400mm；其余大部分柱截面2层以下为900mm×900mm，2层以上柱截面为800mm×800mm；墙混凝土强度等级从下到上由C45变化到C35，框架柱混凝土强度等级从下到上由C40变化到C35；纵筋钢筋采用H RB500级钢筋[2]。宴会厅屋顶采用钢-混凝土组合梁；2层中厅花园屋盖跨度分别为21.6m×21.6m及21.6m×27.9m，采用现浇预应力混凝土空心楼盖；其余部分楼板采用钢筋混凝土现浇楼板，板厚普遍为120mm，个别部位由于荷载较大或跨度较大等因素适当加大。

4　超限情况及解决方案

4.1超限情况

设计基准期为50 a，结构安全等级为二级，抗震设防类别为丙类。经过初步计算和结构杆件布置后，设计中主要存在以下特点及难点：

1）考虑偶然偏心时，3层X向最大层间扭转位移比1.24，大于扭转位移比1.2；

2）3层和4层局部凸出长度为相应边长的36%，凹凸尺寸大于相应边长30%；

3）有效宽度＜50%，开洞面积＞30%；

4）3层竖向构件收进＞25%；

5）1～3层存在穿层柱、7层顶塔楼局部构件转换。

综合以上几点，根据GB50011—2010《建筑抗震设计规范》，主要存在以下不规则项目：扭转不规则，凹凸不规则，楼板局部不连续及侧向刚度不规则，属特别不规则建筑。根据国家《超限高层建筑工程抗震设防管理规定》（建设部令第111号）和《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》的相关规定，本工程属超限高层建筑。

4.2技术措施

由于结构不规则项较多，鉴于工程的重要性及复杂性，应比一般结构有更高的延性要求，因此结合工程特点及计算结果判断薄弱部位，进行适当加强，主要有以下几条措施：

1)适当加强1层和2层剪力墙厚度，提高墙体竖向分布筋的配筋率至0.5%，降低框架柱的轴压比，使其具有较好的延性；

2)针对楼板不连续的情况，对每层楼板均加厚并双层双向配筋(也是针对结构超长的一个措施)，同时结构计算采用带有弹性连接板带，楼板分块平面内刚度无穷大假定的力学模型进行结构分析，以准确分析楼板削弱处周围构件内力，确保洞口周边构件设计安全，分析地震力作用下楼板应力并按应力情况对楼板配筋进行调整，保证地震作用下楼板可以有效的传递水平力；

3)通过程序分析计算，对结构关键构件和薄弱部位构件的设计适当提高延性标准，采取性能化设计，以适应结构的抗震要求；

4)对塔楼局部转换梁进行细致的应力分析并适当加强转换梁的配筋。

4.3抗震设计预计性能目标

依据“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设防水准，为控制结构在不同的地震设防水准下的破坏程度，设计时采用了基于性能设计的抗震设计方法[3]，对结构不同部位关键构件制定相应的性能目标，采取性能化设计。关键构件抗震设计的预期性能目标见表2。

表2　抗震性能目标

关键构件包括：

1）15轴和22轴分别与D、E、G轴相交的1500mm×1200mm框架柱；

2）M轴和S轴分别与10、12、13、14、15、17轴相交的1200mm×1200mm型钢混凝土框架柱；

3）3轴和4轴分别与L轴、K轴相交的穿层框架柱；

4）2层屋面花园下大跨下混凝土框架柱；

5）F轴上和13、14轴相交的3层框架柱；

6）1层和2层底部加强部位的剪力墙。

5　结构计算分析

本工程在设计时主要进行了以下分析：

1）采用SATW E、PM SAP及YJ K3种程序对结构进行竖向荷载、风荷载、多遇地震下的弹性分析，包括弹性时程分析并比较计算结果；

2）采用PUSH&EPDA进行静力弹塑性分析,分析主要构件不同设防标准地震作用下的弹塑性性能，在罕遇地震下的弹性变形；

3)对结构关键构件和薄弱部位构件的设计适当提高延性标准，根据抗震性能目标对其进行了中震作用下的复核设计。

5.1小震弹性分析

由于本工程体型复杂，存在超限情况，计算时采用SATW E、PM SAP及YJ K3种程序对结构进行竖向荷载、风荷载、多遇地震下的弹性阶段对比分析。计算中考虑偶然偏心、双向地震作用，模拟结构的施工顺序；对结构楼层中有大开洞的楼板按弹性板建模考虑楼板平面内的变形。多遇地震下，3种软件计算的结果见表3。

表3　SATWE软件、PMSAP软件、YJK软件计算结果对比

续表3

从表3可以看出：3种软件计算的动力特征基本接近，3种软件计算结果吻合较好。结构第1扭转周期与第1平动周期的比值均小于规范0.85的要求；结构在X、Y方向的层间位移角均小于规范1/800的要求，最大位移比均＜1.4的要求，同时也注意到有些楼层位移比超过1.2，说明结构存在扭转不规则，需要采取一定的加强措施。

5.2弹性时程分析

根据高规规定，采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线。在地震加速度时程曲线的选择时，主要考虑所选择的曲线满足本工程场地地震动的频谱特性、有效峰值和有效持续时间3个要素的要求。

弹性时程分析时所取地面运动最大加速度为55g，选取2组人工波和5组天然波；输入中考虑双方向地震动的影响，两方向加速度时程峰值比为1∶0.85。各条波结构基底剪力计算结果与反应谱的计算结果对比见表4。

表4　弹性时程分析结果

从表4可知，时程分析基底剪力满足文献[3]第4.3.5条的规定。每条时程曲线计算所得的基底剪力均大于反应谱计算所得基底剪力的65%，平均值大于反应谱计算所得基底剪力的80%，满足规范的要求。

5.3中震不屈服设计

为验算结构关键构件在设防地震下的承载能力，进行设防地震下的结构计算。中震不屈服设计可以看作是中震弹性设计的正常使用极限状态，中震不屈服设计不考虑荷载分项系数，材料强度取标准值，不考虑承载力抗震调整系数和内力调整系数。计算结果表明，在中震作用下，关键构件均达到抗震设计要求的性能目标。

5.4罕遇地震下弹塑性时程分析

为实现“大震不倒”的抗震设防目标，对结构进行罕遇地震作用下的结构弹塑性变形验算，采用中国建筑科学研究院PUSH＆EPDA软件中的静力推覆分析方法进行分析。

采用PUSH程序进行静力弹塑性分析的模型直接读取SATW E分析模型，模型中程序忽略了混凝土的抗拉能力，混凝土材料的受压本构关系采用SAEN Z曲线模拟并进行适当的适用性简化；钢材的本构关系采用双折线的弹塑性本构关系。梁、柱、支撑等一维构件采用纤维束模型模拟，剪力墙采用弹塑性墙单元来模拟。采用倒三角侧向荷载分布模式和弧长控制增量法进行非线性静力推覆分析，其大震作用下结构的供给-需求谱曲线见图4。

图4　大震作用下结构的供给-需求谱曲线

从图4来看，该结构的能力曲线能够穿越需求谱线，而且能力曲线和需求谱线的交点对应结构层间位移角为1/229，满足规范1/100的要求，说明该结构满足罕遇地震下“大震不倒”的抗震要求。

6　结论

本工程运用SATW E、PM SAP及YJ K3种程序对小震下的结构反应进行了分析，结果显示，3种程序计算得到的结构各指标均相差较小，证明了计算结果的准确性、真实性；选取了7条地震波对结构进行了弹性时程分析；结果显示，时程分析的结构底部总剪力的平均值均小于振型分解反应谱法得到的底部总剪力，说明按照振型分解反应谱法得到的结果对结构构件进行设计是安全可靠的。为满足中震可修的设防目标，对结构在中震作用下结构关键构件的承载力进行了复核和包络设计，使得结构能够满足抗震设计的性能目标。

[1]GB50009—2012，建筑结构荷载规范[S].

[2]GB50010—2010，混凝土结构设计规范[S]．

[3]JGJ 3—2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

□DOI编码：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.03.026

□TU318

□C

□1008-3197（2015）03-67-04

□2015-01-15

□张凤华/女，1982年出生，工程师，硕士，天津市港建建筑设计有限公司，从事建筑设计工作。