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摘要：本文介绍了深圳某超高层建筑结构设计的主要过程，重点介绍了该超高层的建筑抗震性能化设计，根据抗震性能目标，对结构进行了小震弹性计算分析、中震弹性及中震不屈服计算分析、大震动力弹塑性时程分析等，并对结构的薄弱部位和薄弱构件采用有针对性的加强措施，论证了结构所能达到预定的抗震性能目标。
关键词：超高层结构；结构抗震性能目标；结构设计
工程概况
本工程是集办公、商业、住宅综合体于一体的大型综合性建筑群体。地上设6座高端写字楼及一座超高层住宅，相互之间设多层裙房相连。本工程的设计基准期为50年，结构安全等级为二级，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ～Ⅲ 类场地（安评报告取值），特征周期0.42s（安评报告取值），地面粗糙度为C类，风荷载作用下结构水平位移计算时基本风压为0.75kN/m2，承载力计算时取基本风压的1.1倍。采用钻（冲）孔灌注桩基础，选择微风化粗粒花岗岩为桩端持力层。
1.结构布置
1.1结构抗侧力体系。根据建筑物的总高度、抗震设防烈度、建筑的用途等情况，结构采用框架-核心筒结构体系。框架-核心筒体系分别由外框架与核心筒组成，共同构成多道设防的结构体系。
1.2结构平面布置。2层由于办公大堂的缘故有较大面积的楼板开洞和局部跨层柱现象（图1）。该楼建筑功能考虑到框架梁与核心筒相连处支座负筋较大且建筑功能对净高要求较大，本工程考虑采用梁端水平加腋的方法来提高梁的承载能力及满足建筑净高的要求。梁端水平加腋增加了节点核心区刚度/延性及耗能能力。水平加腋增大了梁与墙柱的交界面的面积，提高了梁的承载力，同时适当加大腋宽可以是塑性铰区由墙柱界面向与等截面梁相交的加腋处转移，有利于提高节点抗震性能。梁端水平加腋范围根据梁内力变化曲线确定。典型楼层结构平面布置图见图2。
图1 二层结构平面布置图
图2 典型楼层结构平面布置图
1.3材料及构件截面尺寸。混凝土强度等级：主要水平构件采用C30砼，主要豎向构件采用C40～C60砼。钢材：本工程型钢混凝土柱中型钢、加劲肋、柱脚底板采用Q345钢。
2.超限情况及抗震性能设计
2.1 超限情况
本工程建筑物高175.1米，按照《高层建筑混凝土结构技术规程》[1]JGJ3-2010第3.3.1条：框架-核心筒结构7度B级高度钢筋混凝土高层建筑适用的最大高度为180m；7度A级高度钢筋混凝土高层建筑适用的最大高度为130m，因此本工程属B级高度超限结构。
整体参数分析得出扭转位移比在1.2～1.5之间，属于扭转不规则。
综上，本工程存在1项不规则（扭转不规则），属B级高度的超限高层建筑。
2.2 抗震性能目标设计[2]
综合该楼的结构特点和超限内容，结构抗震性能目标选定为C级。
3.计算分析
3.1多遇地震弹性分析。采用SATWE和MIDAS BUILDING 两种三维空间结构分析程序按振型分解反应谱法进行抗震计算分析，整体计算结果见表1。
表1 整体计算分析主要计算结果
计算软件 SATWE MIDAS
计算振型数 54 54
第1、2平动周期 4.7505 4.8126
4.5032 4.6834
第一扭转周期 3.4335 3.5841
第一扭转周期 / 第一平动周期 0.72 0.74
地震下基底剪力（kN） X 16237.24 16666.03
Y 15740.31 15420.57
50年一遇风荷载下最大层间位移角 X 1/785（29） 1/750（29～30）
Y 1/1325（21） 1/1152（17）
地震作用下最大层间位移角（层号） X 1/1105（35） 1/1067（36）
Y 1/1188（22） 1/1174（17）
刚重比 X 2.12 2.52
Y 2.36 2.55
通过计算数据分析，两种模型的位移和内力计算结果比较接近，整体参数等各项指标均满足规范要求。
3.2多遇地震弹性时程计算分析。本工程总共输入地震波为七组。各时程曲线计算所得基底总剪力均大于振型分解反应谱求得的基底总剪力的65%，七条时程曲线计算所得基底总剪力的平均值均大于振型分解反应谱求得基底总剪力的80%。根据弹性时程分析的各曲线显示，七条时程曲线计算所得各指标值均小于振型分解反应谱的相应值，因此规范反应谱的计算结果可以作为结构设计的依据。
3.3设防地震作用下弹性及不屈服计算分析。中震简要计算结果见表2。鉴于篇幅有限，各构件的中震弹性及中震不屈服验算本文从略。中震计算分析可以看出，墙、柱在中震作用下未出现屈服，部分楼层的个别连梁、框架梁的配筋需求比多遇地震作用下的需求要高，仅小部分连梁和框架梁出现屈服情况。基底总剪力水平也说明结构在中震下具有足够的刚度和承载能力。
表2 中震计算简要结果
方向 0度 90度
中震作用下最大层间位移 1/348（35层） 1/366（20层）
基底剪力 Q0（kN） 44509 40623
基底弯矩 M0（kN-m） 6314894 5627815
3.4罕遇地震动力弹塑性时程分析。在进行结构7度（0.1g）罕遇地震弹塑性分析时，采用符合规范要求的一条人工波和两条天然波，共三条地震记录，采用MIDAS BUILDING 的结构大师进行罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析。 3.4.1结构整体反应指标。从层间位移角曲线看出X、Y向最大层间位移角为1/190和1/161，均小于层间弹塑性位移角规范限值的要求；大震作用下的最大基底剪力与小震基底剪力的比值均在4～5之间。说明结构在大震后还保持足够的刚度，满足规范“大震不倒”的抗震设防基本要求。
3.4.2结构构件的损伤状态性能分析
作为抗侧力第二道防线的框架柱，绝大部分处于弹性状态，顶部出现少量的弯曲开裂，底部裙房范圍出现一部分弯曲开裂，数量总共为2.5%～2.8%，且不存在弯曲屈服和剪切破坏。
剪力墙在罕遇地震作用下，核心筒墙肢大部分处于弹性状态，进入屈服状态的主要为核心筒内小墙肢。各墙肢能满足抗剪截面要求，可以保证整片墙体不出现剪切破坏。同时通过计算发现，结构底部损伤较严重，拟在底部加强区电梯井道位置增设剪力墙，增加对核心筒外墙的约束。根据罕遇地震作用下剪力墙钢筋竖向应力分布图（略）剪力墙混凝土竖向压应力处于弹性，剪力墙最大竖向压应力远小于混凝土抗压强度标准值，可确保混凝土不被压碎。剪力墙最大竖向压应力小于钢筋抗压强度标准值，局部墙肢存在拉力，但拉应力小于钢筋抗拉强度标准值，可确保钢筋不被拉坏。对于少量剪切屈服的墙肢经抗剪截面复核受剪截面控制参数K均不小于1，主要楼层剪力墙的受剪截面均满足要求。
大部分楼层连梁及框架梁梁端进入屈服状态。连梁普遍先于框架梁进入屈服状态，说明结构具有良好的耗能体系
4.抗震性能设计的构造及加强措施
本工程中框架柱和剪力墙核心筒是主要的抗侧力构件，所以应该提高关键部位墙肢的延性，使抗侧刚度和结构延性更好地匹配，达到有效地协同抗震。
4.1剪力墙墙肢轴压比控制按“高规”要求不大于0.5，同时底部加强区核心筒外筒结构大震分析情况，端部增设型钢混凝土暗柱。
4.2框架柱轴压比按“型钢混凝土组合结构技术规范”要求不大于0.70。
4.3底部加强区剪力墙抗震等级为一级，墙身水平和竖向分布筋配筋底部加强部位最小配筋率0.45%；约束边缘构件竖筋最小配筋率为1.2%，体积配箍率不小于1.8%，由于首层层高较大，为薄弱环节，故针对首层墙身水平和竖向分布筋最小配筋率0.60%。
4.4约束边缘构件上三层设为过渡层。
5.结论
本文介绍了深圳某超高层建筑结构设计的主要过程，围绕既定的性能目标进行针对性的分析计算。计算分析表明，各项指标均能实现既定的抗震性能目标。通过对薄弱构件和薄弱部位的加强，确保了结构抗震性能目标的实现。
参考文献：
[1]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，2010.
[2]GB50011-2010 建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
关键词：超高层结构；结构抗震性能目标；结构设计
工程概况
本工程是集办公、商业、住宅综合体于一体的大型综合性建筑群体。地上设6座高端写字楼及一座超高层住宅，相互之间设多层裙房相连。本工程的设计基准期为50年，结构安全等级为二级，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ～Ⅲ 类场地（安评报告取值），特征周期0.42s（安评报告取值），地面粗糙度为C类，风荷载作用下结构水平位移计算时基本风压为0.75kN/m2，承载力计算时取基本风压的1.1倍。采用钻（冲）孔灌注桩基础，选择微风化粗粒花岗岩为桩端持力层。
1.结构布置
1.1结构抗侧力体系。根据建筑物的总高度、抗震设防烈度、建筑的用途等情况，结构采用框架-核心筒结构体系。框架-核心筒体系分别由外框架与核心筒组成，共同构成多道设防的结构体系。
1.2结构平面布置。2层由于办公大堂的缘故有较大面积的楼板开洞和局部跨层柱现象（图1）。该楼建筑功能考虑到框架梁与核心筒相连处支座负筋较大且建筑功能对净高要求较大，本工程考虑采用梁端水平加腋的方法来提高梁的承载能力及满足建筑净高的要求。梁端水平加腋增加了节点核心区刚度/延性及耗能能力。水平加腋增大了梁与墙柱的交界面的面积，提高了梁的承载力，同时适当加大腋宽可以是塑性铰区由墙柱界面向与等截面梁相交的加腋处转移，有利于提高节点抗震性能。梁端水平加腋范围根据梁内力变化曲线确定。典型楼层结构平面布置图见图2。
图1 二层结构平面布置图
图2 典型楼层结构平面布置图
1.3材料及构件截面尺寸。混凝土强度等级：主要水平构件采用C30砼，主要豎向构件采用C40～C60砼。钢材：本工程型钢混凝土柱中型钢、加劲肋、柱脚底板采用Q345钢。
2.超限情况及抗震性能设计
2.1 超限情况
本工程建筑物高175.1米，按照《高层建筑混凝土结构技术规程》[1]JGJ3-2010第3.3.1条：框架-核心筒结构7度B级高度钢筋混凝土高层建筑适用的最大高度为180m；7度A级高度钢筋混凝土高层建筑适用的最大高度为130m，因此本工程属B级高度超限结构。
整体参数分析得出扭转位移比在1.2～1.5之间，属于扭转不规则。
综上，本工程存在1项不规则（扭转不规则），属B级高度的超限高层建筑。
2.2 抗震性能目标设计[2]
综合该楼的结构特点和超限内容，结构抗震性能目标选定为C级。
3.计算分析
3.1多遇地震弹性分析。采用SATWE和MIDAS BUILDING 两种三维空间结构分析程序按振型分解反应谱法进行抗震计算分析，整体计算结果见表1。
表1 整体计算分析主要计算结果
计算软件 SATWE MIDAS
计算振型数 54 54
第1、2平动周期 4.7505 4.8126
4.5032 4.6834
第一扭转周期 3.4335 3.5841
第一扭转周期 / 第一平动周期 0.72 0.74
地震下基底剪力（kN） X 16237.24 16666.03
Y 15740.31 15420.57
50年一遇风荷载下最大层间位移角 X 1/785（29） 1/750（29～30）
Y 1/1325（21） 1/1152（17）
地震作用下最大层间位移角（层号） X 1/1105（35） 1/1067（36）
Y 1/1188（22） 1/1174（17）
刚重比 X 2.12 2.52
Y 2.36 2.55
通过计算数据分析，两种模型的位移和内力计算结果比较接近，整体参数等各项指标均满足规范要求。
3.2多遇地震弹性时程计算分析。本工程总共输入地震波为七组。各时程曲线计算所得基底总剪力均大于振型分解反应谱求得的基底总剪力的65%，七条时程曲线计算所得基底总剪力的平均值均大于振型分解反应谱求得基底总剪力的80%。根据弹性时程分析的各曲线显示，七条时程曲线计算所得各指标值均小于振型分解反应谱的相应值，因此规范反应谱的计算结果可以作为结构设计的依据。
3.3设防地震作用下弹性及不屈服计算分析。中震简要计算结果见表2。鉴于篇幅有限，各构件的中震弹性及中震不屈服验算本文从略。中震计算分析可以看出，墙、柱在中震作用下未出现屈服，部分楼层的个别连梁、框架梁的配筋需求比多遇地震作用下的需求要高，仅小部分连梁和框架梁出现屈服情况。基底总剪力水平也说明结构在中震下具有足够的刚度和承载能力。
表2 中震计算简要结果
方向 0度 90度
中震作用下最大层间位移 1/348（35层） 1/366（20层）
基底剪力 Q0（kN） 44509 40623
基底弯矩 M0（kN-m） 6314894 5627815
3.4罕遇地震动力弹塑性时程分析。在进行结构7度（0.1g）罕遇地震弹塑性分析时，采用符合规范要求的一条人工波和两条天然波，共三条地震记录，采用MIDAS BUILDING 的结构大师进行罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析。 3.4.1结构整体反应指标。从层间位移角曲线看出X、Y向最大层间位移角为1/190和1/161，均小于层间弹塑性位移角规范限值的要求；大震作用下的最大基底剪力与小震基底剪力的比值均在4～5之间。说明结构在大震后还保持足够的刚度，满足规范“大震不倒”的抗震设防基本要求。
3.4.2结构构件的损伤状态性能分析
作为抗侧力第二道防线的框架柱，绝大部分处于弹性状态，顶部出现少量的弯曲开裂，底部裙房范圍出现一部分弯曲开裂，数量总共为2.5%～2.8%，且不存在弯曲屈服和剪切破坏。
剪力墙在罕遇地震作用下，核心筒墙肢大部分处于弹性状态，进入屈服状态的主要为核心筒内小墙肢。各墙肢能满足抗剪截面要求，可以保证整片墙体不出现剪切破坏。同时通过计算发现，结构底部损伤较严重，拟在底部加强区电梯井道位置增设剪力墙，增加对核心筒外墙的约束。根据罕遇地震作用下剪力墙钢筋竖向应力分布图（略）剪力墙混凝土竖向压应力处于弹性，剪力墙最大竖向压应力远小于混凝土抗压强度标准值，可确保混凝土不被压碎。剪力墙最大竖向压应力小于钢筋抗压强度标准值，局部墙肢存在拉力，但拉应力小于钢筋抗拉强度标准值，可确保钢筋不被拉坏。对于少量剪切屈服的墙肢经抗剪截面复核受剪截面控制参数K均不小于1，主要楼层剪力墙的受剪截面均满足要求。
大部分楼层连梁及框架梁梁端进入屈服状态。连梁普遍先于框架梁进入屈服状态，说明结构具有良好的耗能体系
4.抗震性能设计的构造及加强措施
本工程中框架柱和剪力墙核心筒是主要的抗侧力构件，所以应该提高关键部位墙肢的延性，使抗侧刚度和结构延性更好地匹配，达到有效地协同抗震。
4.1剪力墙墙肢轴压比控制按“高规”要求不大于0.5，同时底部加强区核心筒外筒结构大震分析情况，端部增设型钢混凝土暗柱。
4.2框架柱轴压比按“型钢混凝土组合结构技术规范”要求不大于0.70。
4.3底部加强区剪力墙抗震等级为一级，墙身水平和竖向分布筋配筋底部加强部位最小配筋率0.45%；约束边缘构件竖筋最小配筋率为1.2%，体积配箍率不小于1.8%，由于首层层高较大，为薄弱环节，故针对首层墙身水平和竖向分布筋最小配筋率0.60%。
4.4约束边缘构件上三层设为过渡层。
5.结论
本文介绍了深圳某超高层建筑结构设计的主要过程，围绕既定的性能目标进行针对性的分析计算。计算分析表明，各项指标均能实现既定的抗震性能目标。通过对薄弱构件和薄弱部位的加强，确保了结构抗震性能目标的实现。
参考文献：
[1]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，2010.
[2]GB50011-2010 建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.