某超限高层建筑结构设计与弹塑性分析

钟林杭

(厦门合立道工程设计集团股份有限公司 福建厦门 361004 )

某超限高层建筑结构设计与弹塑性分析

钟林杭

(厦门合立道工程设计集团股份有限公司 福建厦门 361004 )

结合一栋B级高度的剪力墙结构住宅楼的结构设计过程，分析项目的超限情况，采用振型分解反应谱法对计算模型进行了多遇地震作用下的对比分析，同时采用弹性时程分析、静力弹塑性(Pushover)分析及楼板应力分析等补充计算方法对结构体系的合理性进行验证，并在施工图设计阶段采取了有效的抗震构造加强措施。计算分析表明，该工程采用的结构体系抗震性能良好。

超限高层；剪力墙结构； 抗震性能化设计；静力弹塑性

1 工程概况

该工程位于泉州市鲤城区笋江路，总建筑面积约60万m2；其中住宅2-1#楼为地下2层，地上42层的超高层建筑，首层层高为5.1m，其余各层层高均为3.15m，建筑总高度为134.25m，项目总用地面积约13万m2。

该项目设计使用年限为50年，建筑安全等级为二级。结构抗震设防类别为丙类，设防烈度7度(0.15g)，设计地震分组为第三组，Ⅱ类场地，场地特征周期根据安评报告取0.50s；地面粗糙类别为B类，基本风压取为0.7kN/m2。

2 地基基础设计

根据《岩土工程详细勘查报告书》，针对本场地特点，主楼采用三岔双向挤扩灌注桩(钻孔灌注桩)，桩基持力层为强风化花岗岩层，桩身混凝土强度等级为C40，桩基直径为1 000mm，单桩竖向抗压承载力特征值为8 900kN，有效桩长为22m～33m，设置2个承力盘，承力盘直径为1 800mm。该工程桩基采用气举反循环清孔施工工艺，以确保孔底沉渣的厚度满足设计要求。纯地下室基础采用机械接头的PHC500-125-AB预应力管桩，桩端持力层为卵石层，单桩竖向承载力特征值为1 700kN，单桩竖向抗拔承载力为140kN，PHC管桩与底板上布置的多重防腐型扩体抗浮锚杆共同组成抗浮体系。

3 上部主体结构设计

3.1 结构体系

主楼采用钢筋混凝土剪力墙结构，地下室顶板厚度不小于200mm，经初步估算，地下一层主楼相关范围的楼层侧移刚度(剪切刚度)大于地上一层的2倍，满足地下室顶板对上部主体结构的嵌固要求。结构平面布置如图1所示。为配合业主对户型的使用功能需求，从五层到四十层分为3个标准层，每个标准层都有跃层，楼板开洞位置不同，形成较多的楼板连接薄弱处。结构设计时，竖向构件的平面布置根据尽量简单、对称，且X、Y两个方向的侧向刚度不至于相差过大的原则，充分利用楼梯间、电梯间、分户墙和建筑周边角部房间布置落地剪力墙，剪力墙厚度自下而上采用300mm、250mm、200mm均匀变化。竖向构件的混凝土强度等级由低区到高区分别采用C50、C45、C40、C35和C30，同时加强大开洞房间周边连接薄弱处楼板的厚度，以保证水平力的有效传递。

3.2 结构超限情况及性能目标

该项目结构总高度134.25m，在A级高度限值120m和B级高度限值150m之间，属于B级高度超限高层(抗震等级为一级)，存在以下不规则项：①扭转不规则——在规定水平力作用下，考虑偶然偏心的影响，个别楼层位移比>1.2，但<1.4；②凹凸不规则——l/Bmax=12.97/25.77=0.50>0.35。在竖向规则性方面——该项目竖向抗侧力构件上下连续贯通，相邻楼层的侧向刚度变化均匀，无过大的外挑和收进，质量沿高度均匀分布。

针对项目超限情况，根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》的规定和该项目抗震设防专项审查意见的要求，对结构受力的关键部位及构件按C级性能目标进行抗震性能设计[1]，如表1所示。

图1 结构平面布置图

设防水准多遇地震(小震)设防烈度地震(中震)罕遇地震(大震)性能描述完好可修复不倒塌层间位移角上限1/1000—1/120底部加强部位剪力墙连梁弹性正截面抗弯承载力、斜截面抗剪承载力满足弹性要求斜截面抗剪承载力满足截面控制条件，控制整体弹塑性变形

4 主体结构计算分析

4.1 振型分解反应谱法计算结果分析

该项目采用中国建筑科学研究院PKPM软件中的SATWE模块进行结构整体模型计算分析，计算中考虑了扭转耦联影响，并采用MIDAS软件进行补充计算校核，计算结果如表2所示。

表2 SATWE及MIDAS弹性结果对比分析

分析主要计算结果，结构底部5层在X向的最小剪重比不满足规范限值2.40%，但大于2.04%。按规范要求，乘以放大系数调整底部总剪力和各楼层的水平地震剪力，使之满足剪重比大于规范限值2.40%的要求[2]。结构整体稳定验算满足要求。水平荷载下位移角满足规范要求，结构刚度较好。

4.2 补充计算结果分析

4.2.1 弹性时程分析

为校核振型分解反应谱法的计算结果，根据规范要求，位于设防烈度7度地区的建筑总高度超过100m时，应采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算[3]。根据业主提供的地震安评报告，该项目进行弹性时程分析时，地面运动最大加速度取值为55gal，阻尼比取0.05。所选用的地震波包括5条天然波和2条人工波，每组地震波包含X和Y两个方向的分量，地震波的波形除符合有效峰值、持续时间、频谱特性等方面的要求外，还应满足规范对底部剪力的相关要求。

将选出的7组小震加速度记录作为弹性时程分析的地震波输入，采用PMSAP程序计算的结果如图2～图3所示。

图2 X向楼层剪力

图3 Y向楼层剪力

计算结果表明：每条时程曲线计算所得结构基底剪力均大于振型分解反应谱法计算结果的65%，且小于135%，弹性时程分析法所选取的地震波满足规范要求；多条时程曲线计算所得结构基底剪力的平均值大于振型分解反应谱法计算结果的80%[4]。因此，该项目直接取振型分解反应谱法的计算结果设计即可，无需调整楼层构件的内力及配筋。

4.2.2 静力弹塑性分析(pushover)

为确保主体结构在大震作用下具有足够的延性和抗倒塌能力，该项目采用静力弹塑性(pushover)分析法验算了罕遇地震作用下的楼层位移，计算结果表明，该项目X向和Y向层间弹塑性位移角在罕遇地震作用下分别为1/121和1/154，均满足规范对剪力墙结构层间弹塑性位移角限值的规定[2]。最不利方向(X向)的结构能力-需求曲线如图4所示。

图4 X向结构能力-需求曲线

分析结果表明：性能点加载步结构的最大层间位移角出现在计算模型的二十四层～二十八层，此附近楼层的变形相对较大，随着水平推覆荷载的进一步加大，结构的变形由初期的弹性阶段逐步进入塑性发展阶段。施工图设计时对相应楼层的相关构件加强抗震构造措施设计，增强主体结构的整体性，有效控制结构的最大弹塑性位移[5]。

4.2.3 楼板应力分析

该项目楼板开洞较多且不规则，在结构平面布置的中部存在电梯井、楼梯间和局部挑空区域，形成较多的楼板连接薄弱处，为确保水平剪力能够通过楼盖结构有效传递到竖向构件上，该项目对结构平面上连接薄弱的区域采取加厚楼板的措施，并利用MIDAS

有限元软件复核位移最大楼层和开洞最大楼层的楼板应力。

经验算，在设防烈度地震作用下，结构层间位移角最大的第二十八层楼板的最大主拉应力为1.16MPa，结构平面开洞最大的第二十九层楼板的最大主拉应力达到1.52MPa，均未超过C30混凝土的抗拉强度标准值(2.01MPa)，可满足设防烈度地震作用下楼板不开裂的设计要求。因此，经过采取加厚连接薄弱区域楼板厚度的措施后，水平剪力的传递路径可以得到有效保证。

4.3 抗震加强措施

经过对比分析，该项目在后期施工图设计时，为保证结构安全，另外采取了以下加强措施：

(1)中震作用下，将出现小偏心受拉的竖向构件的抗震等级提高一级(按特一级构造)。

(2)楼梯间、电梯间前室，大开洞房间周边连接薄弱区域进行加强，加强区板厚采用140mm，楼板配筋采用双层双向布置，且每层每方向的配筋率不小于0.25%。

(3)严格控制竖向构件的轴压比，适当加强位移角较大楼层的构件配筋，以提高整体结构的抗震性能。

5 结语

本文对超高层剪力墙结构住宅楼的设计方法进行了总结。在设计过程中，根据规范判断项目在扭转不规则、凹凸不规则方面的超限情况，采用振型分解反应谱法对两个软件的计算模型在多遇地震作用下的计算结果进行对比分析，采用弹性时程分析法补充计算验证，同时采用静力弹塑性分析法(Pushover)计算了罕遇地震作用下的层间弹塑性位移角，还应用MIDAS软件对层间位移角最大和开洞最多楼层的楼板进行应力分析，并结合补充计算的结果对抗震构造措施进行了加强。因此，该项目所采用的结构体系具有良好的抗震性能，满足规范相关要求。

[1] 建质[2015]67号.超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点[S].住房和城乡建设部,2015.

[2] JGJ3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[3] GB50011-2010 建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[4] 朱炳寅.高层建筑混凝土结构技术规程应用与分析JGJ3-2010[M].北京：中国建筑工业出版社，2013：140-141.

[5] 张根俞，朱炳寅，张路,等.某大底盘多塔框支剪力墙结构设计与分析[J].建筑结构，2014，44(5)：57-61.

Design of out-of-codes structure of a high-rise building and Pushover analysis

ZHONGLinhang

(Xiamen Hordor Architecture & Engineering Design Group Co. Ltd, Xiamen 361004)

According to solve the out-of-codes of super high-rise building irregular in torsion, concave-convex and sudden size change. SATWE and PMSAP were used to analyze and compare the results of procedures in case of CQC under multiples resilient earthquake, additional time history and Pushover analysis. appropriate measures were took to strength the earthquake reaction. The results show that the structure has good seismic performance.

Exceeded code limited of a high-rise building; Shearwall structure; Time history analysis; Pushover analysis

钟林杭(1983.8- )，男，工程师。

E-mail:448667191@qq.com

2017-03-10

TU973

A

1004-6135(2017)06-0084-04