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摘要：结构设计时应遵循“小震不坏，大震不倒”的设计原则，特别是超限高层建筑。超限高层一般都具有凹凸不规则的特点，在设计时必须进行结构加强措施。本文根据工程案例，对超限高层的主楼和裙房超限情况进行分析，以及通过两种计算软件对超限高层结构的弹性时程进行分析对比，确定結构设计方案的可行性进行探讨。
关键词：超限高层；结构设计
一、工程概况
某工程主楼（地上39层）与裙楼（地上7层）在地面以上设置抗震缝断开，主楼与裙楼为独立结构，主楼采用框架-核心筒结构，裙房采用框架-剪力墙结构，整个地下室连为一体。抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，建筑场地类别为Ⅳ类，结构重要性系数取1.0。
二、结构选型
（一）嵌固端验算
按照建筑单体地面以上范围向外围延伸两跨，计算出地下1层剪切刚度的原则，得出主楼地下1层刚度是地上1层刚度的2.81倍（X向），11.26倍（Y向）。裙房地下一层刚度是地上一层刚度的8.07倍（X向），7.70（Y向）。设计时地下室顶板采用现浇梁板体系，楼板厚度取180mm，配筋采用双层双向，配筋率不小于0.25%。按照规范规定，上部两栋建筑可取地下室顶板作为嵌固端。
（二）主楼结构布置
主楼采用框架—核心筒结构体系，利用中心位置的电梯井、楼梯间等合适部位布置剪力墙，周边则布置框架柱，核心筒为主要的抗侧力构件，墙厚为500～250mm；周边框架柱则承担了大部分的竖向荷载，框柱截面尺寸1000mm×1400 mm～800mm×800mm。竖向构件混凝土强度等级从C60 渐变到C40，并且与截面变化错开。控制结构底部多数框架柱的轴压比不超过0.9，但由于建筑对主楼的框架柱大小限制，个别框架柱的最大轴压比已达0.92，所以对个别框架柱采取加钢筋芯柱及设置复合箍筋等措施增强延性来满足轴压比限值要求。主楼标准层平面见图1。
图1主楼标准层平面
（三）裙房结构布置
裙房采用框架-剪力墙结构体系，规范规定此体系剪力墙宜均匀布置在建筑物周边附近，受建筑功能使用限制，该工程剪力墙不能随便布置，设计优先利用建筑楼梯，电梯井道布置剪力墙，尽可能使刚度均匀对称，以减少结构的扭转效应，同时为减弱荷载不均匀导致的扭转效应，增大了外圈框架梁的截面尺寸（600 mm×900mm），增加了结构的抗扭刚度。裙房标准柱距为8.4 m，柱截面尺寸800mm×800mm，框架梁截面450mm×700mm，梁板柱混凝土强度等级均为C40。由于裙房设有大堂及多功能厅，跨度分别达到25 m和27m，且大跨屋顶上设有游泳池，所以大堂及多功能厅屋顶均使用后张有粘结预应梁，截面分别为500mm×1800 mm 和500mm×1500mm，较好的解决了大跨、超重情况下构件的承载力、裂缝和挠度问题。裙房标准层平面见图2。
图2 裙房标准层平面
（四）基础设计
主楼基础采用桩筏，筏板厚2.4 m，桩基采用钻孔灌注桩，桩径1100 mm，桩有效长度为93m，以10-3 中风化凝灰岩为桩基持力层，单桩承载力特征值约12000 kN。裙楼基础采用桩基承台结构，承台高为1.5～2.0m，承台间设 800mm厚防水板；桩基采用钻孔灌注桩，桩径800mm，桩有效长度65m，以8-1黏土层为桩基持力层，单桩承载力特征值约4000kN。无上部结构部分地下室基础采用抗拔桩筏板结构，筏板厚800mm，抗拔桩桩径600mm，桩有效长度46m，单桩抗压承载力特征值约2000kN，单桩抗拔特征值约1200kN。
（五）结构超长、超厚的有效措施
由于整个建筑地下室南北长达150m，东西长达135m，结构超长，远超于规范规定的地下室墙壁类结构伸缩缝最大间距30m；基础底板厚度较大，属于大体积混凝土，收缩应力明显。为减少施工期间超长、超厚混凝土的收缩变形对结构的影响，采取以下措施：
（1）进行详细的温度应力和收缩应力分析，采取相应的内力组合进行构件设计。
（2）除沉降后浇带以外，每隔30～40m 左右设置伸缩后浇带，裙房范围内的伸缩后浇带，由基础底板贯通至建筑屋面。
（3）对地下室底板，外墙及顶板的混凝土要求添加微膨胀纤维抗裂剂，并适当加强外墙水平拉通钢筋、顶板拉通钢筋。
（4）对纯地下车库，上部覆土在结构施工完后及早进行回填覆盖。
三、结构超限类型
（一）结构高度
根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，设防烈度为6度时，框架-核心筒结构限制高度为150m，框架-剪力墙结构限制为130m。本工程主楼和裙房结构高度分别为145.8m和33.5m，均为高度不超限结构。
（二）裙房规则性分析
（1）SATWE和PMSAP两种程序计算结果显示，在考虑偶然偏心的扭转位移比均大于1.2，小于1.4，属于扭转不规则。
（2）因建筑大空间要求，裙房多功能厅及其前厅挑空，导致结构四层楼板开洞面积大于30%，属于楼板不连续。
（3）建筑在五层平面（大屋顶）处，竖向构件位置收进大于25%，导致尺寸突变。
（三）超限类型判定
综上所述，本工程主楼结构属于高度不超限高层建筑，且只有二项一般规则性超限：“扭转不规则”、“楼板不连续”。故主楼不属于超限高层。而裙房高度不超限，但同时具有三项一般规则性超限：“扭转不规则”、“楼板不连续”和“刚度突变”，故裙房属于超限高层。
（四）结构加强措施
（1）主楼加强措施
主楼不属于超限高层建筑，但高度接近A 级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度。设计中采取以下措施： ①为提高结构整体抗扭能力，对外围框架裙梁加大截面尺寸，提高其刚度。
②对底部框架柱采取加钢筋芯柱及设置复合箍筋等措施增强延性。
③加强底部墙数量及增加厚度，以保证底层内筒占总倾覆力矩比例接近80%。
（2）裙房加强措施
裙房属于超限高层建筑，加强措施如下：
①对于裙房多功能厅大空间，导致的楼板开洞及不连续，在四层处楼板加厚为 140mm，并双层双向通长配筋且配筋适当加强。在计算时，考虑到楼板不连续对结构整体有较大的影响，此时楼板在自身平面内刚度无限大的假定不适用，内力计算时，4层楼板均采用弹性壳单元来模拟。
②由于结构平面不对称和刚度的不均匀，整体扭转效应比较明显，所以在不影响建筑功能的基础上，四周楼梯处及电梯井处布置剪力墙，同时加大外围框架梁截面，使结构有很好的抗扭刚度。
③对于5层平面处竖向体型突变部位的楼板加强，板厚为150mm，且双层双向配筋，每层每方向钢筋网的配筋率不小于0.25%。体型突变部位的上下层结构的楼板也加强构造措施。
四、结构计算分析
（一）主楼计算分析
主楼计算采用SATWE软件（2011年9月份版本）。计算考虑偶然偏心地震作用、扭转耦联及施工模拟工况。采用SATWE双向地震作用进行结构包络设计，计算取18个振型，整体计算结果见表1。
表1 主楼主要计算结果
序号 科目 计算结果 规范控制值
1 周期/s T1 3.920（X 系数 0.99） —
T2 3.285（Y 系数 0.92） —
T3 2.837（扭转系数 0.91） —
2 周期比 T3/ T1
0.7237 ≤0.9
3 剪重比/% X向 0.89 ≥0.8
Y向 0.91
4 有效质量
系数/% X向 96.71 ≥90
Y向 97.67
5 刚重比 X向 2.88 ≥1.4
Y向 3.98 ≥2.7
6 层间位移角 X向地震 1/1956 ≤1/800
Y向地震 1/2359
X向风荷载 1/1434
Y向风荷载 1/3021
7 最大层间
位移比 X向 1.27 ≤1.4
Y向 1.31
从表1 中数据可见，各项指标均满足规范限值要求。
（二）裙房计算分析
裙房结构整体计算分别采用由中国建筑科学研究院研制的SATWE和PMSAP程序进行，同时采用弹性时程分析模块进行了弹性时程分析补充计算。
（1）两种软件计算结果对比
SATWE和PMSAP两种软件整体计算结果比较见表 2。
表2 裙房主要计算结果比较
序号 科目 SATWE PMSAP
1 周期/s T1 0.8469（X 系数 0.89） 0.8284（X 系数 0.90）
T2 0.7966（Y 系数 0.99） 0.7801（Y 系数 0.99）
T3 0.6400（扭转系数0.64） 0.6247（扭转系数0.58）
2 周期比 T3/ T1
0.7557 0.7541
3 剪重比/% X向 1.54 1.49
Y向 1.66 1.57
4 有效质量
系数/% X向 99.78 99.98
Y向 99.58 99.78
5 刚重比 X向 5.77 6.34
Y向 5.73 6.28
6 层间位移角 X向地震 1/2096 1/2155
Y向地震 1/1482 1/1685
X向风 1/9999 1/10394
Y向风 1/7412 1/6305
7 最大层间
位移比 X向 1.39 1.38
Y向 1.31 1.22
根据两个软件的分析结果对照可知：（1）两软件计算分析的结构反应特征、变化规律基本吻合，各项指标基本一致，说明结果较为可信；（2）结构具有合适的刚度，符合工程经验及力学概念所做的判断，且满足各种工况下的计算要求，各项计算指标均满足规范要求。
（2）弹性时程分析
采用SATWE软件对结构进行弹性时程分析补充计算并与反应谱法的计算结果进行对比。选用地震波RH1TG075，TH1TG075以及 TH3TG075，其均为SATWE提供的地震波，X、Y向三条地震加速度时程曲线的最大值为 18cm/s2，地震力放大系数人工波和天然波均取 1.0，主要计算结果见表3。
表 3 时程分析与反应谱分析计算结果
名称 X 向 Y 向
层间位移角 基底剪力/kN 比值 层间位移角 基底剪力/kN 比值
人工波（RH1TG075） 1/2455 13040.6 0.96 1/1900 14110.7 0.96
天然波（TH1TG075） 1/3260 11866.6 0.87 1/2745 13175.8 0.90
天然波（TH3TG075） 1/3030 12383.6 0.91 1/2465 13580.6 0.93
時程均值 1/2874 12430.3 0.91 1/2316 13622.4 0.93
反应谱法 1/2096 13584.3 1/1482 14637.9
注：比值=时程基底剪力/反应谱基底剪力
由表3可以看出，每条时程曲线计算的结构基底剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65%，其平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%，时程分析的计算结果、结构反应特性、变化规律与反应谱法基本吻合。
五、结束语
通过以上的结构计算分析，工程主楼与裙房所采用的结构体系均合理经济，主楼采用框架-核心筒结构，裙房采用框架-剪力墙结构。主楼建筑高度接近A级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度，整体计算结果表明，在多遇地震作用下，各项指标均满足规范要求。裙房存在扭转不规则、楼板不连续和刚度突变等超限情况，通过合理的结构布置，对薄弱部位采用有效加强措施，最后通过两种计算软件的对比分析以及弹性时程补充分析，计算结果显示，各项指标均能满足规范要求；可见该工程结构的抗震性能较为合理可靠，能够满足抗震设防的要求。
关键词：超限高层；结构设计
一、工程概况
某工程主楼（地上39层）与裙楼（地上7层）在地面以上设置抗震缝断开，主楼与裙楼为独立结构，主楼采用框架-核心筒结构，裙房采用框架-剪力墙结构，整个地下室连为一体。抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，建筑场地类别为Ⅳ类，结构重要性系数取1.0。
二、结构选型
（一）嵌固端验算
按照建筑单体地面以上范围向外围延伸两跨，计算出地下1层剪切刚度的原则，得出主楼地下1层刚度是地上1层刚度的2.81倍（X向），11.26倍（Y向）。裙房地下一层刚度是地上一层刚度的8.07倍（X向），7.70（Y向）。设计时地下室顶板采用现浇梁板体系，楼板厚度取180mm，配筋采用双层双向，配筋率不小于0.25%。按照规范规定，上部两栋建筑可取地下室顶板作为嵌固端。
（二）主楼结构布置
主楼采用框架—核心筒结构体系，利用中心位置的电梯井、楼梯间等合适部位布置剪力墙，周边则布置框架柱，核心筒为主要的抗侧力构件，墙厚为500～250mm；周边框架柱则承担了大部分的竖向荷载，框柱截面尺寸1000mm×1400 mm～800mm×800mm。竖向构件混凝土强度等级从C60 渐变到C40，并且与截面变化错开。控制结构底部多数框架柱的轴压比不超过0.9，但由于建筑对主楼的框架柱大小限制，个别框架柱的最大轴压比已达0.92，所以对个别框架柱采取加钢筋芯柱及设置复合箍筋等措施增强延性来满足轴压比限值要求。主楼标准层平面见图1。
图1主楼标准层平面
（三）裙房结构布置
裙房采用框架-剪力墙结构体系，规范规定此体系剪力墙宜均匀布置在建筑物周边附近，受建筑功能使用限制，该工程剪力墙不能随便布置，设计优先利用建筑楼梯，电梯井道布置剪力墙，尽可能使刚度均匀对称，以减少结构的扭转效应，同时为减弱荷载不均匀导致的扭转效应，增大了外圈框架梁的截面尺寸（600 mm×900mm），增加了结构的抗扭刚度。裙房标准柱距为8.4 m，柱截面尺寸800mm×800mm，框架梁截面450mm×700mm，梁板柱混凝土强度等级均为C40。由于裙房设有大堂及多功能厅，跨度分别达到25 m和27m，且大跨屋顶上设有游泳池，所以大堂及多功能厅屋顶均使用后张有粘结预应梁，截面分别为500mm×1800 mm 和500mm×1500mm，较好的解决了大跨、超重情况下构件的承载力、裂缝和挠度问题。裙房标准层平面见图2。
图2 裙房标准层平面
（四）基础设计
主楼基础采用桩筏，筏板厚2.4 m，桩基采用钻孔灌注桩，桩径1100 mm，桩有效长度为93m，以10-3 中风化凝灰岩为桩基持力层，单桩承载力特征值约12000 kN。裙楼基础采用桩基承台结构，承台高为1.5～2.0m，承台间设 800mm厚防水板；桩基采用钻孔灌注桩，桩径800mm，桩有效长度65m，以8-1黏土层为桩基持力层，单桩承载力特征值约4000kN。无上部结构部分地下室基础采用抗拔桩筏板结构，筏板厚800mm，抗拔桩桩径600mm，桩有效长度46m，单桩抗压承载力特征值约2000kN，单桩抗拔特征值约1200kN。
（五）结构超长、超厚的有效措施
由于整个建筑地下室南北长达150m，东西长达135m，结构超长，远超于规范规定的地下室墙壁类结构伸缩缝最大间距30m；基础底板厚度较大，属于大体积混凝土，收缩应力明显。为减少施工期间超长、超厚混凝土的收缩变形对结构的影响，采取以下措施：
（1）进行详细的温度应力和收缩应力分析，采取相应的内力组合进行构件设计。
（2）除沉降后浇带以外，每隔30～40m 左右设置伸缩后浇带，裙房范围内的伸缩后浇带，由基础底板贯通至建筑屋面。
（3）对地下室底板，外墙及顶板的混凝土要求添加微膨胀纤维抗裂剂，并适当加强外墙水平拉通钢筋、顶板拉通钢筋。
（4）对纯地下车库，上部覆土在结构施工完后及早进行回填覆盖。
三、结构超限类型
（一）结构高度
根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，设防烈度为6度时，框架-核心筒结构限制高度为150m，框架-剪力墙结构限制为130m。本工程主楼和裙房结构高度分别为145.8m和33.5m，均为高度不超限结构。
（二）裙房规则性分析
（1）SATWE和PMSAP两种程序计算结果显示，在考虑偶然偏心的扭转位移比均大于1.2，小于1.4，属于扭转不规则。
（2）因建筑大空间要求，裙房多功能厅及其前厅挑空，导致结构四层楼板开洞面积大于30%，属于楼板不连续。
（3）建筑在五层平面（大屋顶）处，竖向构件位置收进大于25%，导致尺寸突变。
（三）超限类型判定
综上所述，本工程主楼结构属于高度不超限高层建筑，且只有二项一般规则性超限：“扭转不规则”、“楼板不连续”。故主楼不属于超限高层。而裙房高度不超限，但同时具有三项一般规则性超限：“扭转不规则”、“楼板不连续”和“刚度突变”，故裙房属于超限高层。
（四）结构加强措施
（1）主楼加强措施
主楼不属于超限高层建筑，但高度接近A 级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度。设计中采取以下措施： ①为提高结构整体抗扭能力，对外围框架裙梁加大截面尺寸，提高其刚度。
②对底部框架柱采取加钢筋芯柱及设置复合箍筋等措施增强延性。
③加强底部墙数量及增加厚度，以保证底层内筒占总倾覆力矩比例接近80%。
（2）裙房加强措施
裙房属于超限高层建筑，加强措施如下：
①对于裙房多功能厅大空间，导致的楼板开洞及不连续，在四层处楼板加厚为 140mm，并双层双向通长配筋且配筋适当加强。在计算时，考虑到楼板不连续对结构整体有较大的影响，此时楼板在自身平面内刚度无限大的假定不适用，内力计算时，4层楼板均采用弹性壳单元来模拟。
②由于结构平面不对称和刚度的不均匀，整体扭转效应比较明显，所以在不影响建筑功能的基础上，四周楼梯处及电梯井处布置剪力墙，同时加大外围框架梁截面，使结构有很好的抗扭刚度。
③对于5层平面处竖向体型突变部位的楼板加强，板厚为150mm，且双层双向配筋，每层每方向钢筋网的配筋率不小于0.25%。体型突变部位的上下层结构的楼板也加强构造措施。
四、结构计算分析
（一）主楼计算分析
主楼计算采用SATWE软件（2011年9月份版本）。计算考虑偶然偏心地震作用、扭转耦联及施工模拟工况。采用SATWE双向地震作用进行结构包络设计，计算取18个振型，整体计算结果见表1。
表1 主楼主要计算结果
序号 科目 计算结果 规范控制值
1 周期/s T1 3.920（X 系数 0.99） —
T2 3.285（Y 系数 0.92） —
T3 2.837（扭转系数 0.91） —
2 周期比 T3/ T1
0.7237 ≤0.9
3 剪重比/% X向 0.89 ≥0.8
Y向 0.91
4 有效质量
系数/% X向 96.71 ≥90
Y向 97.67
5 刚重比 X向 2.88 ≥1.4
Y向 3.98 ≥2.7
6 层间位移角 X向地震 1/1956 ≤1/800
Y向地震 1/2359
X向风荷载 1/1434
Y向风荷载 1/3021
7 最大层间
位移比 X向 1.27 ≤1.4
Y向 1.31
从表1 中数据可见，各项指标均满足规范限值要求。
（二）裙房计算分析
裙房结构整体计算分别采用由中国建筑科学研究院研制的SATWE和PMSAP程序进行，同时采用弹性时程分析模块进行了弹性时程分析补充计算。
（1）两种软件计算结果对比
SATWE和PMSAP两种软件整体计算结果比较见表 2。
表2 裙房主要计算结果比较
序号 科目 SATWE PMSAP
1 周期/s T1 0.8469（X 系数 0.89） 0.8284（X 系数 0.90）
T2 0.7966（Y 系数 0.99） 0.7801（Y 系数 0.99）
T3 0.6400（扭转系数0.64） 0.6247（扭转系数0.58）
2 周期比 T3/ T1
0.7557 0.7541
3 剪重比/% X向 1.54 1.49
Y向 1.66 1.57
4 有效质量
系数/% X向 99.78 99.98
Y向 99.58 99.78
5 刚重比 X向 5.77 6.34
Y向 5.73 6.28
6 层间位移角 X向地震 1/2096 1/2155
Y向地震 1/1482 1/1685
X向风 1/9999 1/10394
Y向风 1/7412 1/6305
7 最大层间
位移比 X向 1.39 1.38
Y向 1.31 1.22
根据两个软件的分析结果对照可知：（1）两软件计算分析的结构反应特征、变化规律基本吻合，各项指标基本一致，说明结果较为可信；（2）结构具有合适的刚度，符合工程经验及力学概念所做的判断，且满足各种工况下的计算要求，各项计算指标均满足规范要求。
（2）弹性时程分析
采用SATWE软件对结构进行弹性时程分析补充计算并与反应谱法的计算结果进行对比。选用地震波RH1TG075，TH1TG075以及 TH3TG075，其均为SATWE提供的地震波，X、Y向三条地震加速度时程曲线的最大值为 18cm/s2，地震力放大系数人工波和天然波均取 1.0，主要计算结果见表3。
表 3 时程分析与反应谱分析计算结果
名称 X 向 Y 向
层间位移角 基底剪力/kN 比值 层间位移角 基底剪力/kN 比值
人工波（RH1TG075） 1/2455 13040.6 0.96 1/1900 14110.7 0.96
天然波（TH1TG075） 1/3260 11866.6 0.87 1/2745 13175.8 0.90
天然波（TH3TG075） 1/3030 12383.6 0.91 1/2465 13580.6 0.93
時程均值 1/2874 12430.3 0.91 1/2316 13622.4 0.93
反应谱法 1/2096 13584.3 1/1482 14637.9
注：比值=时程基底剪力/反应谱基底剪力
由表3可以看出，每条时程曲线计算的结构基底剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65%，其平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%，时程分析的计算结果、结构反应特性、变化规律与反应谱法基本吻合。
五、结束语
通过以上的结构计算分析，工程主楼与裙房所采用的结构体系均合理经济，主楼采用框架-核心筒结构，裙房采用框架-剪力墙结构。主楼建筑高度接近A级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度，整体计算结果表明，在多遇地震作用下，各项指标均满足规范要求。裙房存在扭转不规则、楼板不连续和刚度突变等超限情况，通过合理的结构布置，对薄弱部位采用有效加强措施，最后通过两种计算软件的对比分析以及弹性时程补充分析，计算结果显示，各项指标均能满足规范要求；可见该工程结构的抗震性能较为合理可靠，能够满足抗震设防的要求。