某超限高层建筑的抗震性能化设计

申士军

摘要：本文主要介绍某超限高层建筑的抗震性能化设计。根据工程实际情况，选取合适的性能化目标并进行计算分析。通过分析，本工程结构抗震设计可满足抗震性能目标及规范要求，为类似项目的设计工作提供参考。

关键词：超限高层;抗震;性能化设计

1、工程概况

本工程功能为办公楼。塔楼结构总高度142.7米，地下2层，地上37层。2层以下为商业区，3～13层为办公标准层，14层为避难层，15～26层为办公标准层，27层为第二避难层层，28～37层为办公标准层，屋面以上为机房层。

2、设计条件

标准设防，7度，0.10g，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅲ～Ⅳ类，水平地震影响系数最大值为0.08，差值法确定特征周期值为0.50s。

3、上部结构设计

采用现浇混凝土框架-核心筒结构体系。标准层结构布置如图1。

4、结构超限类别及程度

本工程存在以下方面的结构不规则内容：1）结构大屋面高度超过A级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度，高度超限。2）在考虑偶然偏心的规定水平地震力作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，B级高度高层建筑不宜大于该层平均值的1.2，不应大于该层平均值的1.4倍，属平面不规则的类型。3）1～2层偏心率大于0.15， 偏心布置，与2）条合计为一条不规则。4）首层有2根穿层柱。

5、“基于性能的抗震设计”分析及设计

本工程为B级高度的高层建筑，一般不规则类型为2项，属于超限结构。为保证设计安全经济，除按照规范规定的要求及目标进行计算和设计外，还应采取结构抗震性能化设计的方法。

5.1构件的性能设计目标

按《高规》[1]第3.11节进行性能设计，考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等各项因素，确定结构抗震性能目标为C级。在多遇地震下，按性能水准1进行设计;在设防烈度地震下，按性能水准3进行设计，其中底部加强部位的剪力墙、边框柱受剪承载力提高至中震弹性进行设计;在预估的罕遇地震下，按性能水准5进行设计，其底部加强部位的剪力墙、边框柱应满足及普通竖向构件均应满足最小抗剪截面要求。

在设防烈度地震下，关键构件的抗震正截面承载力应符合《高规》式（3.11.3-2）的规定。

（按中震不屈服设计）

在设防烈度地震下，关键构件、普通竖向构件抗震受剪承载力应符合《高规》式（3.11.3-1）的规定。

（受剪承载力按中震弹性设计）

在设防烈度地震作用下，部分耗能构件抗弯进入屈服，抗震受剪承载力应符合《高规》式（3.11.3-2）;

（按中震不屈服设计）

在预估的罕遇地震作用下，关键构件、普通竖向构件以及耗能构件的受剪截面应符合《高规》式（3.11.3-4）;

（按大震不屈服最小截面设计）

从抗震安全性和经济合理两方面权衡考虑，提出以下几条性能目标，具体详见表5.1。

5.2穿层柱的设计

5.4.1 小震作用下两种计算模型的包络设计

根据规范要求，本工程在计算小震作用时分别采用了SATWE和MIDAS BUILDING两种程序对办公主楼进行整体计算分析。对于穿层柱的构件设计，其配筋值取两种模型计算结果的包络值进行设计。

5.4.2 中震、大震下穿层柱的设计

普通框架柱应满足中震下抗弯不屈服、抗剪弹性，在大震作用下应满足最小抗剪截面的要求。因穿层柱在框架柱中情况特殊，且又位于结构的底部加强区，应对其提出更高的要求，其抗弯承载力、抗剪承载力应满足中震弹性、大震下不屈服。

6大震下静力弹塑性分析（PUSHOVER）

为与“大震不倒”的第三水准抗震设防目标相对应，本工程对建筑结构进行了第二阶段抗震设计，即罕遇地震作用下的结构弹塑性变形验算。本工程采用中国建筑科学研究院编制的EPDA&PUSH进行分析。

通过X向、Y向推覆分析得到楼层层间位移角。在罕遇地震时，各楼层主要的层间位移角：X向倒三角加载方式下主要分布在1/105左右，X向矩形加载方式下主要分布在1/104左右;Y向倒三角加载方式下主要分布在1/100左右，Y向矩形加载方式下主要分布在1/103左右，均满足规范1/100的限值要求。

另外进行了推覆过程损伤分析。对应多遇地震，结构保持弹性，没有出现塑性铰。第一批少量的塑性铰在总水平推覆力接近设防烈度地震的基底剪力时出现在底部加强区部位的连梁上;基底剪力达到设防烈度后，塑性铰向上逐渐发展至其余各层连梁;随着水平推覆力的不断增大，底部加强区的部分剪力墙上开始出现受拉破坏，当推覆力达到相当于罕遇地震时，剪力墙出现受拉裂缝的范围出现在底部加强部位及结构顶部的若干层。

上述塑性铰的形成和发展过程说明：连梁作为第一道抗震防线首先出现塑性铰，消耗能量，达到了预期目标。随着推覆荷载的增加，塑性铰往上发展，剪力墙也开始开裂，整个推覆过程情况良好。在预估的罕遇地震时，其剪力墙连梁、墙肢组成的多道抗震防线能够保持有效的协同工作，结构有良好的抗震能力。

7、结语

本文根据本工程的超限情况，有针对性地提出了高于規范的设计要求，并提出性能化抗震设计指标，对关键构件进行中震下复核，最后做了罕遇地震下的弹塑性分析。这些工作的目的在于保证结构在高于设防烈度的地震作用下仍具有一定的安全性，并做到经济和合理。

参考文献

[1]高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.