某平面规则性超限高层建筑结构抗震设计

刘玉麟

摘 要：结合工程实例，就平面不规则的高层结构用空间结构振型分解法进行了抗震计算及设计，并对其结构设计中采取的构造措施进行了探讨。

关键词：超限高层；空间结构振型分解法；抗震性能目标；弹塑性分析；构造措施

1.工程概况

某住宅综合楼，地上32层，地下2层，标准层平面布置为L形（见图1），总建筑面积为20680.800㎡。地上1层为商铺，2层为社区健身中心，3～32层为住宅；结构主体高度为99.600米，高宽比为4.5。主楼地下1层为管道夹层，地下2层战时为甲类核6级防空地下室，平时为戊类库房；裙楼为地下1层车库，板顶有2.100m的覆土。结构嵌固端的位置为主楼地下1层楼面（±0.000m）处；主楼地下2层楼面（-2.100m，裙楼顶板）与裙楼楼板连为一体（见图2）。结构主体采用全现浇钢筋混凝土剪力墙结构。

2.结构设计等级及设计参数（详见表1）

3.结构主体设计

3.1结构平面规则性分析

根据建设单位对建筑造型、功能的要求及规划场地的现状，结构平面呈L型，属于《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3--2010）第3.4.3条中图3.4.3（c）类情况。

3.1.1根据《高规》表3.4.3的规定，可知：本建筑物平面中

（1）L/B=33.6m/13.4m=2.5<5.0，满足要求；

（2）l/Bmax=10.8m/24.2m=0.45>0.30，2≥[（L-b）/b=20.4m/13.2m=1.5]>1，（L-b）/L=20.4m/33.6m=0.61≥0.3，不满足要求；

（3）l/b=10.8m/13.2m=0.8<1.5，满足要求。

3.1.2根据《高规》第3.4.6条中“有效楼板宽度不宜小于该层楼面宽度的50%”的规定及《建筑抗震设计规范》（GB 50011--2010）表3.4.3-1中第三种类型的定义和参考指标，本建筑平面中1-4～1-10/1G～1F部位，楼面总宽度為13.4m，总的开洞尺寸为4.45m+3.40m=7.85m，有效楼板宽度为13.4m-7.85m=5.55m，而5.55m /13.4m=41%<50%，可知有效楼板宽度小于楼面宽度的一半。

有上述两条可知，建筑平面布置有不规则的情况，造成楼板平面内刚度降低，楼盖整体性较差，对结构抗震产生不利影响。

3.2结构竖向规则性分析

本工程结构采用全现浇钢筋混凝土剪力墙体系，建筑的竖向体型规则、均匀，无过大的外挑和收紧（见图2）。为使结构的侧向刚度按照下大上小的规律均匀变化，剪力墙截面尺寸等均沿竖向逐渐减少，混凝土强度等级也逐渐减少。

根据2010年版《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》及相关规范、规程的中的规定，本工程属于平面一般不规则，竖向规则的结构体系。

4.基础设计

根据场地的地层结构及物理力学性质，并结合上部结构的特点，综合分析后采用整体性好的平板式筏型基础。主体筏板的厚度为1.500m，地下二层的层面标高为-7.800m，基础的埋深为9.300m，埋置深度为结构主体高度的1/10.7，大于1/15。

5.结构分析

5.1分析软件及主要计算参数

根据《高规》第5.1.12条及《抗规》第3.6.6.3条的规定，本工程应采用不少于两个的不同力学模型，并对其计算结果进行分析比较。

本工程因现场地形等建筑要求而造成平面一般不规则，根据上述现行规范的要求，采用中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部编制的结构分析程序（高层建筑结构空间有限元分析与设计软件）SATWE（2010网络版）进行结构分析，并采用PMSAP软件进行补充分析，对计算结果进行对比。

在以空间结构振型分解法进行计算时，计算振型数为18个，周期折减系数为0.95，考虑5%的偶然偏心和双向水平地震作用。中梁刚度增大系数为2.00，梁端弯矩调幅系数为0.85，连梁刚度折减系数为0.55，梁扭矩折减系数为0.40。

5.2计算分析内容

计算分析主要包括以下几方面：

（1）整体结构多遇地震及风荷载作用下的弹性分析

进行整体结构多遇地震及风荷载作用下的弹性分析，并对SATWE和PMSAP两种软件的结果进行对比，目的在于确定结构的构件尺寸，保证整体结构具备必要的承载力、合适的刚度、良好的变形能力和消耗地震能量的的能力，各项指标满足规范的要求。

（2）整体机构的弹性时程分析

根据规范要求，对结构进行整体的弹性时程分析，与振型分解反应谱法的计算结果进行比较，以确保结构分析的全面性，保证结构受力安全可靠。

（3）罕遇地震作用下弹塑性静力分析

5.3计算模型及基本假定

在使用SATWE和PMSAP程序进行分析时，均按照实际结构建立的准确的模型，包括屋面的构架。结构计算分析的过程中，考虑了以下的设计假定，以模拟结构真实的受力状态：

（1）地下1层抗侧刚度大于地上1层抗侧刚度的2倍，计算时假定结构嵌固端在地下1层顶板处。

（2）结构整体的施工模拟，依照施工顺序，分层加载。

（3）开洞较大的楼层洞口周边楼板设置为弹性楼板。

5.4主要结构计算结果及分析

5.4.1多遇地震作用下的弹性分析

（1）周期等指标计算结果详见表2：

（2）内力与位移计算结果详见表3。

结果分析：

（1）计算结果表明，两种软件分析的结构周期基本接近，结构周期合理。