论文部分内容阅读
【摘 要】 本文以甘肃省某具体工程为研究对象，按照《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》及《甘肃省钢筋混凝土高层建筑结构高宽比超限抗震措施暂行规定》对高宽比超限框剪结构进行了超限抗震设计，并详细介绍了高宽比超限结构的主要设计计算步骤及构造措施，以供同类工程参考。
【关键词】 框剪结构；超限；抗震设计
引言：
我国《建筑抗震设计规范》的主要内容由以下三大部分组成：一、规范限定的使用条件；二、结构和构件的计算分析；三、结构和构件的构造要求。对于一个新建建筑物的抗震设计，当满足以上三部分要求时，就是符合规范的设计；当不满足第一部分的要求时，就被称为“超限”工程；需要采取比规范第二、第三部分更严格的计算和构造，以证明该建筑可以达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标【1】。
现阶段，我国对超限工程的设计，还没有形成统一的标准和管理办法，各地区根据当地实际情况和工程经验，对超限结构的设计和审查略有不同，除了建设部颁发的《超限高层建筑工程抗震设防管理规定》、《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》外，还有诸如《广东省超限高层建筑工程抗震设防专项审查实施细则》、《甘肃省钢筋混凝土高层建筑结构高宽比超限抗震措施暂行规定》等一些地方性文件及措施。
本文以甘肃省某具体工程为研究对象，按照《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》及《甘肃省钢筋混凝土高层建筑结构高宽比超限抗震措施暂行规定》对高宽比超限框剪结构进行了抗震设计，以供同类工程参考。
1 工程概况
本工程为甘肃兰州某单位科研中试综合楼，由一幢高层建筑和地下车库组成。建设场地位于甘肃省兰州市安宁区。
工程地下2层，地上29层，地下1层层高4.80m、地下2层层高4.20m，地上1～4层层高均为4.80m、5～11层层高均为3.60m、12层层高为3.80m、13～29层层高均为3.00m；地下车库为地下2层，地下1层层高4.80m，地下2层层高4.20m。楼梯间局部出屋面2层。房屋高度99.50m。
主楼采用现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构。地上1层～地上4层抗震设防类别为乙类，5层以上抗震设防类别为丙类。根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010及《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010的要求，主楼剪力墙抗震等级为一级、框架抗震等级为一级（在施工图阶段时主楼采取比一级更为严格的构造措施）。
2 荷载与作用
基本风压（50年一遇）：0.30kN/m2（对风荷载比较敏感的高层建筑，承载力设计时按基本风压的1.1倍采用）；基本雪压（50年一遇）：0.15kN/m2。
抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值0.20g，设计地震分组第三组，建筑场地类别为Ⅱ类。场地特征周期Tg=0.45s。
3 结构超限情况
3.1 房屋高度判定
主楼房屋高度99.50m小于规范100m的限值，但已接近临界值；
3.2 高层结构规则性判定
扭转规则；上部主楼结构的质心与下部主楼、裙房结构的综合质心距离，小于下部整体结构宽度的15%，无偏心布置；? /Bmax=0.105<0.3， ? /b=0.24<1.5，L/B=3.8<5.0，凹凸规则；楼板有效宽度>全楼楼面经典楼板宽度的50%，开洞面积<楼面面积的30%。竖向构件连续，无错层；竖向刚度无突变；竖向缩进满足要求；承载力无突变。
3.3 结构高宽比判定
主楼有效宽度均按回转半径法计算，高宽比为6.53，属于高宽比较大建筑（即不超过《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010钢筋混凝土高层建筑结构适用的高宽比+2者），按《甘肃省钢筋混凝土高层建筑结构高宽比超限抗震措施暂行规定》（甘抗发2011第15号文）的各项要求进行设计并采取加强措施设计。
3.4 综合判定
本工程为高宽比超限工程。
4 超限设计
4.1 总体设计
主楼采用全现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构，无短肢墙，所有剪力墙全部落地。连梁跨高比普遍大于2.5，少数小于2.5的连梁，也设置了交叉暗撑。可保证结构的多道抗震防线。
在规定的水平力作用下，底层框架部分承受的地震倾覆力矩不大于结構总地震倾覆力矩的40%。且框架设计为“强柱弱梁”型，以保证结构的多道抗震防线。
基础采用筏板基础，基础有效埋深与房屋高度的比值分别为1/11，大于1/14（筏板基础埋深与房屋高度的比值最小要求）。
4.2 计算分析
按本工程主楼采用中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部编制“多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件（墙元模型）SATWE（2012年6月版）”及由北京迈达斯技术有限公司开发编制的“建筑结构设计软件Midas Building-结构大师模块（2013年2.1版）”，进行结构整体内力、位移计算和弹性动力时程分析补充计算。并采用midas Building弹塑性动力时程分析计算模型进行了罕遇地震作用下，宽度方向弹塑性位移验算。
主要计算参数：
振型数21；周期折减系数0.9；梁刚度放大系数按2010版混凝土规范取值；梁扭矩折减系数0.4；连梁刚度折减系数：0.6；楼板采用刚性假定；恒活荷载计算信息按模拟施工3加荷计算；计算嵌固部位为地下室顶板板面。
主要计算结果详见下表：
4.3 弹性时程分析
依据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第5.1.2条的规定，不规则建筑，应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算； 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，其中实际强震记录的数量不应少于总数的2/3，多组时程曲线的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。所谓“在统计意义上相符”指的是，多组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比，在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20%。 4.3 罕遇地震作用下基底零应力区与基础底面积比值计算
基础底板等效宽度B=17.1m；
上部结构及基础总重力荷载代表值G=459994 （恒）+25x1.7x1046 （筏板自重）+0.5x47081 （活）=522759.5kN
抗倾覆力矩MR =G . B/2=4469593.725kN.m
罕遇地震作用下的倾覆力矩标准值Mov =2.2x811154（多遇水平地震作用下倾覆力矩标准值） = 1784538 KN.m
注：按照《甘肃省钢筋混凝土高层建筑结构高宽比超限抗震措施暂行规定》，罕遇地震作用下的倾覆力矩可采用多遇地震作用下的倾覆力矩的2.2倍（8度0.20g）。
基础底面零应力区面积比例：
4.4 罕遇地震作用下基础底面边缘最大压应力验算
依据《建筑地基基础设计规范》GB50007-2010
通过以上计算可以看出，罕遇地震下天然地基承载力验算时，基础底面边缘最大压应力满足要求。
4.5 结果分析
1）计算多遇地震作用下宽度方向弹性层间位移角均小于1/850，满足要求。
2）结构剛重比EJd/GH2均大于1.4，满足“2010高规” 整体稳定验算要求。且结构刚重比EJd/GH2均大于2.7，同时满足“2010高规”可不考虑重力二阶效应的要求，故本次设计未进行重力二阶效应计算。
3） 各楼层与其相邻上层的侧向刚度比 （各结构单元均无本层层高大于相邻上层层高的1.5情况）均大于0.95。各楼层抗侧力结构的层间受剪承载力与相邻上层受剪承载力比值，均大于0.85。均能满足要求。
4）在多遇地震作用下，计算结果显示，基底均无零应力区。
5）采用弹塑性动力时程分析计算模型进行了罕遇地震作用下，宽度方向弹塑性位移角为均小于1/110满足要求。
6） 罕遇地震作用下基底零应力区与基础底面积比值计算。
4.6 构造措施
1）主楼结构单元角柱、边柱最大轴压比均小于0.65，外纵墙最大轴压比均小于0.4，满足要求。
2）外纵墙底部加强部位水平及竖向分布钢筋配筋率不小于0.35%，其它墙体底部加强部位水平及竖向分布钢筋配筋率不小于0.3%。
3）主楼结构单元底部加强部位为基础底板至地上三层，剪力墙约束边缘构件范围为基础底板至地上五层（比底部加强部位上延两层）。外纵墙约束边缘构件配筋率不小于1.3%且配筋不少于8Φ18；配箍率特征值取0.22，比规范最小要求增大10%。
4）主楼结构单元剪力墙连梁均采用加密箍筋，对于跨高比小于2.5的连梁设置斜向交叉暗撑或钢筋。
5 结 论
针对本工程主楼高宽比超限问题，在按照以上要求设计，可以满足规范要求的“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准设防目标。
参考文献：
[1]韩小雷. 季 静. 基于性能的超限高层建筑结构抗震设计——理论研究与工程应用. [M].北京：中国建筑工业出版社，2013.
[2] GB 50011-2010，建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
[3] JGJ 3-2010，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，2010.
作者简介：崔延渊（1980- ），男，工程师，硕士，研究方向：钢结构与空间结构、新型结构体系与材料、地球与人居环境科学及工程交叉学科。
【关键词】 框剪结构；超限；抗震设计
引言：
我国《建筑抗震设计规范》的主要内容由以下三大部分组成：一、规范限定的使用条件；二、结构和构件的计算分析；三、结构和构件的构造要求。对于一个新建建筑物的抗震设计，当满足以上三部分要求时，就是符合规范的设计；当不满足第一部分的要求时，就被称为“超限”工程；需要采取比规范第二、第三部分更严格的计算和构造，以证明该建筑可以达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标【1】。
现阶段，我国对超限工程的设计，还没有形成统一的标准和管理办法，各地区根据当地实际情况和工程经验，对超限结构的设计和审查略有不同，除了建设部颁发的《超限高层建筑工程抗震设防管理规定》、《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》外，还有诸如《广东省超限高层建筑工程抗震设防专项审查实施细则》、《甘肃省钢筋混凝土高层建筑结构高宽比超限抗震措施暂行规定》等一些地方性文件及措施。
本文以甘肃省某具体工程为研究对象，按照《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》及《甘肃省钢筋混凝土高层建筑结构高宽比超限抗震措施暂行规定》对高宽比超限框剪结构进行了抗震设计，以供同类工程参考。
1 工程概况
本工程为甘肃兰州某单位科研中试综合楼，由一幢高层建筑和地下车库组成。建设场地位于甘肃省兰州市安宁区。
工程地下2层，地上29层，地下1层层高4.80m、地下2层层高4.20m，地上1～4层层高均为4.80m、5～11层层高均为3.60m、12层层高为3.80m、13～29层层高均为3.00m；地下车库为地下2层，地下1层层高4.80m，地下2层层高4.20m。楼梯间局部出屋面2层。房屋高度99.50m。
主楼采用现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构。地上1层～地上4层抗震设防类别为乙类，5层以上抗震设防类别为丙类。根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010及《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010的要求，主楼剪力墙抗震等级为一级、框架抗震等级为一级（在施工图阶段时主楼采取比一级更为严格的构造措施）。
2 荷载与作用
基本风压（50年一遇）：0.30kN/m2（对风荷载比较敏感的高层建筑，承载力设计时按基本风压的1.1倍采用）；基本雪压（50年一遇）：0.15kN/m2。
抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值0.20g，设计地震分组第三组，建筑场地类别为Ⅱ类。场地特征周期Tg=0.45s。
3 结构超限情况
3.1 房屋高度判定
主楼房屋高度99.50m小于规范100m的限值，但已接近临界值；
3.2 高层结构规则性判定
扭转规则；上部主楼结构的质心与下部主楼、裙房结构的综合质心距离，小于下部整体结构宽度的15%，无偏心布置；? /Bmax=0.105<0.3， ? /b=0.24<1.5，L/B=3.8<5.0，凹凸规则；楼板有效宽度>全楼楼面经典楼板宽度的50%，开洞面积<楼面面积的30%。竖向构件连续，无错层；竖向刚度无突变；竖向缩进满足要求；承载力无突变。
3.3 结构高宽比判定
主楼有效宽度均按回转半径法计算，高宽比为6.53，属于高宽比较大建筑（即不超过《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010钢筋混凝土高层建筑结构适用的高宽比+2者），按《甘肃省钢筋混凝土高层建筑结构高宽比超限抗震措施暂行规定》（甘抗发2011第15号文）的各项要求进行设计并采取加强措施设计。
3.4 综合判定
本工程为高宽比超限工程。
4 超限设计
4.1 总体设计
主楼采用全现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构，无短肢墙，所有剪力墙全部落地。连梁跨高比普遍大于2.5，少数小于2.5的连梁，也设置了交叉暗撑。可保证结构的多道抗震防线。
在规定的水平力作用下，底层框架部分承受的地震倾覆力矩不大于结構总地震倾覆力矩的40%。且框架设计为“强柱弱梁”型，以保证结构的多道抗震防线。
基础采用筏板基础，基础有效埋深与房屋高度的比值分别为1/11，大于1/14（筏板基础埋深与房屋高度的比值最小要求）。
4.2 计算分析
按本工程主楼采用中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部编制“多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件（墙元模型）SATWE（2012年6月版）”及由北京迈达斯技术有限公司开发编制的“建筑结构设计软件Midas Building-结构大师模块（2013年2.1版）”，进行结构整体内力、位移计算和弹性动力时程分析补充计算。并采用midas Building弹塑性动力时程分析计算模型进行了罕遇地震作用下，宽度方向弹塑性位移验算。
主要计算参数：
振型数21；周期折减系数0.9；梁刚度放大系数按2010版混凝土规范取值；梁扭矩折减系数0.4；连梁刚度折减系数：0.6；楼板采用刚性假定；恒活荷载计算信息按模拟施工3加荷计算；计算嵌固部位为地下室顶板板面。
主要计算结果详见下表：
4.3 弹性时程分析
依据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第5.1.2条的规定，不规则建筑，应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算； 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，其中实际强震记录的数量不应少于总数的2/3，多组时程曲线的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。所谓“在统计意义上相符”指的是，多组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比，在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20%。 4.3 罕遇地震作用下基底零应力区与基础底面积比值计算
基础底板等效宽度B=17.1m；
上部结构及基础总重力荷载代表值G=459994 （恒）+25x1.7x1046 （筏板自重）+0.5x47081 （活）=522759.5kN
抗倾覆力矩MR =G . B/2=4469593.725kN.m
罕遇地震作用下的倾覆力矩标准值Mov =2.2x811154（多遇水平地震作用下倾覆力矩标准值） = 1784538 KN.m
注：按照《甘肃省钢筋混凝土高层建筑结构高宽比超限抗震措施暂行规定》，罕遇地震作用下的倾覆力矩可采用多遇地震作用下的倾覆力矩的2.2倍（8度0.20g）。
基础底面零应力区面积比例：
4.4 罕遇地震作用下基础底面边缘最大压应力验算
依据《建筑地基基础设计规范》GB50007-2010
通过以上计算可以看出，罕遇地震下天然地基承载力验算时，基础底面边缘最大压应力满足要求。
4.5 结果分析
1）计算多遇地震作用下宽度方向弹性层间位移角均小于1/850，满足要求。
2）结构剛重比EJd/GH2均大于1.4，满足“2010高规” 整体稳定验算要求。且结构刚重比EJd/GH2均大于2.7，同时满足“2010高规”可不考虑重力二阶效应的要求，故本次设计未进行重力二阶效应计算。
3） 各楼层与其相邻上层的侧向刚度比 （各结构单元均无本层层高大于相邻上层层高的1.5情况）均大于0.95。各楼层抗侧力结构的层间受剪承载力与相邻上层受剪承载力比值，均大于0.85。均能满足要求。
4）在多遇地震作用下，计算结果显示，基底均无零应力区。
5）采用弹塑性动力时程分析计算模型进行了罕遇地震作用下，宽度方向弹塑性位移角为均小于1/110满足要求。
6） 罕遇地震作用下基底零应力区与基础底面积比值计算。
4.6 构造措施
1）主楼结构单元角柱、边柱最大轴压比均小于0.65，外纵墙最大轴压比均小于0.4，满足要求。
2）外纵墙底部加强部位水平及竖向分布钢筋配筋率不小于0.35%，其它墙体底部加强部位水平及竖向分布钢筋配筋率不小于0.3%。
3）主楼结构单元底部加强部位为基础底板至地上三层，剪力墙约束边缘构件范围为基础底板至地上五层（比底部加强部位上延两层）。外纵墙约束边缘构件配筋率不小于1.3%且配筋不少于8Φ18；配箍率特征值取0.22，比规范最小要求增大10%。
4）主楼结构单元剪力墙连梁均采用加密箍筋，对于跨高比小于2.5的连梁设置斜向交叉暗撑或钢筋。
5 结 论
针对本工程主楼高宽比超限问题，在按照以上要求设计，可以满足规范要求的“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准设防目标。
参考文献：
[1]韩小雷. 季 静. 基于性能的超限高层建筑结构抗震设计——理论研究与工程应用. [M].北京：中国建筑工业出版社，2013.
[2] GB 50011-2010，建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
[3] JGJ 3-2010，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，2010.
作者简介：崔延渊（1980- ），男，工程师，硕士，研究方向：钢结构与空间结构、新型结构体系与材料、地球与人居环境科学及工程交叉学科。