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摘要: 以某高层建筑为例，详细的分析了建筑结构的抗震设计，介绍了该建筑工程的体系特点、基于抗震性能目标的基于抗震性能目标的抗震性能化设计的具体原则和方法、整体小震弹性计算、弹性时程分析补充验算，针对不同构件分别进行中震不屈服、中震弹性、大震不屈服验算，对建筑的薄弱部位采取了加强措施。对同样的超限高层建筑的抗震设计给出了一些建议，以供参考。
关键词:建筑结构设计;超限高层; 抗震设计
中图分类号： TU2文献标识码：A 文章编号：
一、工程概况
某建筑项目地下3层、地上5 层，共5 栋塔楼(A1～A5) ，其中A4塔楼为标杆性建筑，总高度156.6m。5栋塔楼与裙房在地下室连为整体，从地面以上开始完全设缝断开，每个塔楼的嵌固端均设置在地下层1 的顶板。A4 塔楼为地下3层，地上41 层，其中地下层3层高为4.7m，地下层2 层高为5.1m，地下层1层高为6.5m，地上层1层高为6.0m，层2～5层高为5.1m，层5与层6之间的设备夹层层高为2.15m，层6～12，14～28，30～41为标准层，层高为3.3m，层13，29为避难层兼设备层，层高3.6m。A4 塔楼地上建筑面积约68 452m2，商业部分建筑面积约13 194m2，地下车库建筑面积约6597m2，总建筑面积约88 243m2。A4塔楼平面呈长方形，长54.4m、宽34.0m，沿高度方向平面尺寸不变，外围框架柱的柱距为7.50～9.60m。A4塔楼的结构体系为钢筋混凝土框架-核心筒结构，典型框架柱网为9.6m×8.6m，受建筑功能及布局的限制，核心筒分别设置在中庭两侧的电梯井筒、楼梯间部位，而且由于核心筒很小，在建筑物端部还增设普通剪力墙来增强结构的整体刚度。A4塔楼主体结构的抗侧力体系由框架、双筒和剪力墙共同组成。A4塔楼在地面以上与裙房完全分开，防震缝宽150mm。在不影响建筑使用的情况下，适当增加地下室内的剪力墙，通过计算满足上下层的刚度比要求，可以地下层1 的顶板为嵌固端。地下层1 的顶板厚度为180mm，上部标准层楼板厚度为130mm，裙房顶板层及屋顶层加厚为150mm。
二、 结构超限类别及程度
1. 高度超限分析
A4 塔楼建筑主要屋面结构高度147.95m，结构采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系，属于超B 级高层建筑。
2. 不规则情况分析
平面规则性: 结构平面形状简单、规则、无凹凸变化，楼板局部小面积开洞均满足规范要求( 其中塔楼中庭处天井的开洞率约为7%，层1大堂上空的开洞率约为20%)，不存在平面不规则的情况。竖向规则性: 结构竖向构件连续、立面无大的收进，局部楼层(位于裙房顶部的塔楼底层) 的侧向刚度小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%，但楼层抗剪承载力无突变，下层与上层的抗剪承载力比值均大于0. 80，存在局部竖向不规则的情况。扭转规则性: 结构扭转周期比0.843，小于规定扭转周期比0.85; 考虑偶然偏心作用下，樓层扭转位移比和扭转层间位移角之比均较小，不存在扭转不规则的情况。综上，A4塔楼高度超限(超B 级高层)，无其他超限情况。
三、抗震性能目标的选定
1.结构抗震性能水准的选取
针对A4楼的具体情况，对应各种地震工况下的地震动参数按下面的原则选取: 1 ) 小震作用(多遇地震) ，按安评报告和国家规范所提供的相关参数分别计算，计算结果取两者之大值; 2) 中震(设防烈度地震) 、大震(罕遇地震) 作用，按现行国家规范选取。
2.结构抗震性能目标的选定
由于A4楼结构平面规则，立面无突变，仅高度超限，因此综合权衡，抗震性能设计目标选定为:1) 小震作用下，建筑完全可使用，即结构满足弹性设计要求，包括全部构件的抗震承载力满足现行规范要求，各楼层的最大层间位移角不大于1/800; 2)中震作用下，建筑修复后使用，各楼层的最大层间位移角不大于1/300，主要抗侧力构件( 底部加强区的剪力墙和框架柱) 需进行中震不屈服情况下的偏压、偏拉承载力复核和中震弹性情况下的受剪承载力复核，对四角框架柱在底部加强区还要按中震弹性复核; 3) 大震作用下，建筑能保障生命安全，各楼层的最大层间位移角不大于1 /100，关键部位的抗侧力构件( 底部加强区的剪力墙) 应满足大震不屈服下的受剪截面控制，即应进行剪压比验算。
四、小震弹性设计
选用SATWE，PMSAP 2010. 03 版两种软件进行了计算分析和对比。
1.计算参数的选取
按国家相关规范以及地方标准，本工程进行了场地安全性评价，安全评价给出的场地类别和地震分组与规范相同，地震动参数有所差别。由于安评报告提供的参数与规范有差异，所以根据相应的参数，分别将两种情况下的反应谱曲线进行了对比。情况一: 按安评报告选取参数，αmax = 0.118，r=1.1; 情况二: 按抗震规范选取参数，αmax= 0.080，r=0.9。对应工程第1周期(T= 3. 61s) 处的地震影响系数对比如下: α1=0.015 5，α2=0.016。以情况二对应的α2= 0.016为标准，α1/α2=0.970。如果按情况一取值的话，地震力与规范值基本相当，略少3% 左右。所以，本次多遇地震作用下计算分析时，按安评报告和规范给出的地震动参数分别计算，各种计算指标的结果均取二者中大值。
2.结构自振周期
运用上述两种软件建立了三维模型，经过空间整体计算和分析，分别得出结构的自振周期，两种软件计算出来的结构自振周期基本一致。
3.层间位移
运用上述两种软件计算得到结构在X，Y 向风荷载和地震四种荷载工况作用下的最大层间位移角及最大位移比，可以看出，虽然两种软件的计算模型不同，计算出来的最大楼层层间位移也稍有差别，但都能满足相应规范的要求。
4. 弹性时程分析
运用SATWE 软件进行弹性时程分析，选取两组天然波和一组人工波。人工波由安评报告提供，波水平方向加速度峰值为49.0Am/s2 ，两组天然波水平方向加速度峰值可参照人工波取49.0Am/s2 ，每条时程曲线计算所得结构底部剪力与振型分解反应谱法所得底部剪力的比值均大于65%，多条时程曲线计算所得构底部剪力的平均值与振型分解反应谱法所得底部剪力的比值大于80% ，具体计算结果见表5。
五、中震不屈服设计和中震弹性设计
1. 层间位移角
采用中震弹性工况对应的地震参数: 地震影响系数为0.23; 抗震等级为四级; 特征周期为0.37s。运用SATWE 和PMSAP 两种程序分别对结构进行了中震弹性下的计算分析，可看出: 在中震弹性地震作用下，X，Y 两个方向层间位移角均基本满足性能目标对应的结构层间位移角的限值要求。
2.主要抗侧力构件中震不屈服和中震弹性设计
按照性能目标的设定，工程的主要抗侧力构件( 底部加强区的剪力墙和框架柱) 需进行中震不屈服情况下的偏压、偏拉承载力复核和中震弹性情况下的受剪承载力复核，对四角框架柱在底部加强区还要按中震弹性复核。具体到结构构件，分别按以下规则处理:对于一般框架柱而言，框架柱纵筋按中震不屈服的计算结果配筋，框架柱的箍筋按中震弹性的计算结果配筋。但对于建筑物四角的框架角柱，框架柱纵筋和箍筋均按中震弹性的计算结果配筋。
六、 大震不屈服设计
1.层间位移角
采用大震不屈服工况对应的地震参数: 地震影响系数为0.50; 特征周期为0.37s; 结构阻尼比为0.05。运用EPDA/PUSH 程序对结构进行了大震不屈服下的弹塑性静力分析，可看出: 在大震不屈服工况下，X，Y 两个方向的最大弹塑性层间位移角均能满足与性能目标对应的弹塑性层间位移角的限值要求。按照大震下的相关参数，建立了结构的需求谱曲线、能力曲线，其中对应AQA 荷载模式下的抗倒塌验算。
2. 主要抗侧力构件大震不屈服设计
按照性能目标的设定，工程关键部位的抗侧力构件(底部加强区的剪力墙墙肢)应满足大震不屈服下的受剪截面控制(即剪压比验算)。经过计算分析，在大震不屈服工况下，A4塔楼在底部加强区的所有剪力墙墙肢的剪压比均小于0.15。以左侧核心筒Y向墙肢TQ-B为例，底部加强区范围内墙肢的剪压比均能满足规范要求。
七、局部抗震措施的加强
通过计算分析，找出了结构的薄弱环节，在施工图设计时，特采取以下几条加强措施: 1 ) 由于裙房顶层与塔楼标准层之间设有层高2.15m 的设备夹层，结构在此形成软弱层，所以将结构底部加强区的高度延伸至软弱层以上至地上层8 (标高35.1m) ，对地上层6(软弱层) 采用增加墙柱配筋、加密箍筋、增加芯柱等措施来适当增加结构延性; 2) 内筒角部约束边缘构件按高规第9.1.8条的要求全高设置;3) 梁柱偏心超过规范限值时，在框架梁端增加水平加腋，框架柱的配筋均按双偏压复核; 4) 高度超限，对底部3层的竖向构件，严格控制轴压比，并同时增加竖向钢筋和水平钢筋的数量(比计算值增加10%以上); 5) 高度超限，应加强顶部3层、屋面突出物中的竖向构件的延性，适当提高配筋量(比计算值增加10%为宜); 6) 针对跨高比较小的高连梁，采取设置交叉暗撑、设水平缝等措施提高连梁的延性。
结论
1. 对于具有类似的仅超高的超限高层建筑结构，首先应重视结构的抗震概念设计，合理布置结构框架梁、框架柱以及剪力墙，保证结构的刚度分布比较均匀。
2. 对同类超限高层建筑结构的理论分析，建议必须选用两种以上不同的结构软件来进行计算和分析，应进行小震下的弹性时程分析补充验算，宜进行大震下的弹塑性分析，找出结构的薄弱环节。
关键词:建筑结构设计;超限高层; 抗震设计
中图分类号： TU2文献标识码：A 文章编号：
一、工程概况
某建筑项目地下3层、地上5 层，共5 栋塔楼(A1～A5) ，其中A4塔楼为标杆性建筑，总高度156.6m。5栋塔楼与裙房在地下室连为整体，从地面以上开始完全设缝断开，每个塔楼的嵌固端均设置在地下层1 的顶板。A4 塔楼为地下3层，地上41 层，其中地下层3层高为4.7m，地下层2 层高为5.1m，地下层1层高为6.5m，地上层1层高为6.0m，层2～5层高为5.1m，层5与层6之间的设备夹层层高为2.15m，层6～12，14～28，30～41为标准层，层高为3.3m，层13，29为避难层兼设备层，层高3.6m。A4 塔楼地上建筑面积约68 452m2，商业部分建筑面积约13 194m2，地下车库建筑面积约6597m2，总建筑面积约88 243m2。A4塔楼平面呈长方形，长54.4m、宽34.0m，沿高度方向平面尺寸不变，外围框架柱的柱距为7.50～9.60m。A4塔楼的结构体系为钢筋混凝土框架-核心筒结构，典型框架柱网为9.6m×8.6m，受建筑功能及布局的限制，核心筒分别设置在中庭两侧的电梯井筒、楼梯间部位，而且由于核心筒很小，在建筑物端部还增设普通剪力墙来增强结构的整体刚度。A4塔楼主体结构的抗侧力体系由框架、双筒和剪力墙共同组成。A4塔楼在地面以上与裙房完全分开，防震缝宽150mm。在不影响建筑使用的情况下，适当增加地下室内的剪力墙，通过计算满足上下层的刚度比要求，可以地下层1 的顶板为嵌固端。地下层1 的顶板厚度为180mm，上部标准层楼板厚度为130mm，裙房顶板层及屋顶层加厚为150mm。
二、 结构超限类别及程度
1. 高度超限分析
A4 塔楼建筑主要屋面结构高度147.95m，结构采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系，属于超B 级高层建筑。
2. 不规则情况分析
平面规则性: 结构平面形状简单、规则、无凹凸变化，楼板局部小面积开洞均满足规范要求( 其中塔楼中庭处天井的开洞率约为7%，层1大堂上空的开洞率约为20%)，不存在平面不规则的情况。竖向规则性: 结构竖向构件连续、立面无大的收进，局部楼层(位于裙房顶部的塔楼底层) 的侧向刚度小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%，但楼层抗剪承载力无突变，下层与上层的抗剪承载力比值均大于0. 80，存在局部竖向不规则的情况。扭转规则性: 结构扭转周期比0.843，小于规定扭转周期比0.85; 考虑偶然偏心作用下，樓层扭转位移比和扭转层间位移角之比均较小，不存在扭转不规则的情况。综上，A4塔楼高度超限(超B 级高层)，无其他超限情况。
三、抗震性能目标的选定
1.结构抗震性能水准的选取
针对A4楼的具体情况，对应各种地震工况下的地震动参数按下面的原则选取: 1 ) 小震作用(多遇地震) ，按安评报告和国家规范所提供的相关参数分别计算，计算结果取两者之大值; 2) 中震(设防烈度地震) 、大震(罕遇地震) 作用，按现行国家规范选取。
2.结构抗震性能目标的选定
由于A4楼结构平面规则，立面无突变，仅高度超限，因此综合权衡，抗震性能设计目标选定为:1) 小震作用下，建筑完全可使用，即结构满足弹性设计要求，包括全部构件的抗震承载力满足现行规范要求，各楼层的最大层间位移角不大于1/800; 2)中震作用下，建筑修复后使用，各楼层的最大层间位移角不大于1/300，主要抗侧力构件( 底部加强区的剪力墙和框架柱) 需进行中震不屈服情况下的偏压、偏拉承载力复核和中震弹性情况下的受剪承载力复核，对四角框架柱在底部加强区还要按中震弹性复核; 3) 大震作用下，建筑能保障生命安全，各楼层的最大层间位移角不大于1 /100，关键部位的抗侧力构件( 底部加强区的剪力墙) 应满足大震不屈服下的受剪截面控制，即应进行剪压比验算。
四、小震弹性设计
选用SATWE，PMSAP 2010. 03 版两种软件进行了计算分析和对比。
1.计算参数的选取
按国家相关规范以及地方标准，本工程进行了场地安全性评价，安全评价给出的场地类别和地震分组与规范相同，地震动参数有所差别。由于安评报告提供的参数与规范有差异，所以根据相应的参数，分别将两种情况下的反应谱曲线进行了对比。情况一: 按安评报告选取参数，αmax = 0.118，r=1.1; 情况二: 按抗震规范选取参数，αmax= 0.080，r=0.9。对应工程第1周期(T= 3. 61s) 处的地震影响系数对比如下: α1=0.015 5，α2=0.016。以情况二对应的α2= 0.016为标准，α1/α2=0.970。如果按情况一取值的话，地震力与规范值基本相当，略少3% 左右。所以，本次多遇地震作用下计算分析时，按安评报告和规范给出的地震动参数分别计算，各种计算指标的结果均取二者中大值。
2.结构自振周期
运用上述两种软件建立了三维模型，经过空间整体计算和分析，分别得出结构的自振周期，两种软件计算出来的结构自振周期基本一致。
3.层间位移
运用上述两种软件计算得到结构在X，Y 向风荷载和地震四种荷载工况作用下的最大层间位移角及最大位移比，可以看出，虽然两种软件的计算模型不同，计算出来的最大楼层层间位移也稍有差别，但都能满足相应规范的要求。
4. 弹性时程分析
运用SATWE 软件进行弹性时程分析，选取两组天然波和一组人工波。人工波由安评报告提供，波水平方向加速度峰值为49.0Am/s2 ，两组天然波水平方向加速度峰值可参照人工波取49.0Am/s2 ，每条时程曲线计算所得结构底部剪力与振型分解反应谱法所得底部剪力的比值均大于65%，多条时程曲线计算所得构底部剪力的平均值与振型分解反应谱法所得底部剪力的比值大于80% ，具体计算结果见表5。
五、中震不屈服设计和中震弹性设计
1. 层间位移角
采用中震弹性工况对应的地震参数: 地震影响系数为0.23; 抗震等级为四级; 特征周期为0.37s。运用SATWE 和PMSAP 两种程序分别对结构进行了中震弹性下的计算分析，可看出: 在中震弹性地震作用下，X，Y 两个方向层间位移角均基本满足性能目标对应的结构层间位移角的限值要求。
2.主要抗侧力构件中震不屈服和中震弹性设计
按照性能目标的设定，工程的主要抗侧力构件( 底部加强区的剪力墙和框架柱) 需进行中震不屈服情况下的偏压、偏拉承载力复核和中震弹性情况下的受剪承载力复核，对四角框架柱在底部加强区还要按中震弹性复核。具体到结构构件，分别按以下规则处理:对于一般框架柱而言，框架柱纵筋按中震不屈服的计算结果配筋，框架柱的箍筋按中震弹性的计算结果配筋。但对于建筑物四角的框架角柱，框架柱纵筋和箍筋均按中震弹性的计算结果配筋。
六、 大震不屈服设计
1.层间位移角
采用大震不屈服工况对应的地震参数: 地震影响系数为0.50; 特征周期为0.37s; 结构阻尼比为0.05。运用EPDA/PUSH 程序对结构进行了大震不屈服下的弹塑性静力分析，可看出: 在大震不屈服工况下，X，Y 两个方向的最大弹塑性层间位移角均能满足与性能目标对应的弹塑性层间位移角的限值要求。按照大震下的相关参数，建立了结构的需求谱曲线、能力曲线，其中对应AQA 荷载模式下的抗倒塌验算。
2. 主要抗侧力构件大震不屈服设计
按照性能目标的设定，工程关键部位的抗侧力构件(底部加强区的剪力墙墙肢)应满足大震不屈服下的受剪截面控制(即剪压比验算)。经过计算分析，在大震不屈服工况下，A4塔楼在底部加强区的所有剪力墙墙肢的剪压比均小于0.15。以左侧核心筒Y向墙肢TQ-B为例，底部加强区范围内墙肢的剪压比均能满足规范要求。
七、局部抗震措施的加强
通过计算分析，找出了结构的薄弱环节，在施工图设计时，特采取以下几条加强措施: 1 ) 由于裙房顶层与塔楼标准层之间设有层高2.15m 的设备夹层，结构在此形成软弱层，所以将结构底部加强区的高度延伸至软弱层以上至地上层8 (标高35.1m) ，对地上层6(软弱层) 采用增加墙柱配筋、加密箍筋、增加芯柱等措施来适当增加结构延性; 2) 内筒角部约束边缘构件按高规第9.1.8条的要求全高设置;3) 梁柱偏心超过规范限值时，在框架梁端增加水平加腋，框架柱的配筋均按双偏压复核; 4) 高度超限，对底部3层的竖向构件，严格控制轴压比，并同时增加竖向钢筋和水平钢筋的数量(比计算值增加10%以上); 5) 高度超限，应加强顶部3层、屋面突出物中的竖向构件的延性，适当提高配筋量(比计算值增加10%为宜); 6) 针对跨高比较小的高连梁，采取设置交叉暗撑、设水平缝等措施提高连梁的延性。
结论
1. 对于具有类似的仅超高的超限高层建筑结构，首先应重视结构的抗震概念设计，合理布置结构框架梁、框架柱以及剪力墙，保证结构的刚度分布比较均匀。
2. 对同类超限高层建筑结构的理论分析，建议必须选用两种以上不同的结构软件来进行计算和分析，应进行小震下的弹性时程分析补充验算，宜进行大震下的弹塑性分析，找出结构的薄弱环节。