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[摘要]主要介绍了某B级高度超高层办公楼项目的结构布置，抗震计算分析及结构概念设计。针对其超高的超限特点，采用基于性能的抗震设计，经多模型，多软件的弹性比较分析及动力弹塑性补充计算，保证设计能够覆盖结构的各种实际受力状态。使结构的抗震性能满足规范及性能目标的要求。
[关键词]超限高层; 抗震性能目标; 弹性分析; 动力弹塑性分析
中图分类号：TU241.8 文献标识码A 文章编号
Seismic design of exceed-limit tall building of a project
Gao Fei
（Huasen Architecture & Engineering Design Consultants Ltd.,Shenzhen 518054）
Abstract: The structure plan, the seismic analysis and the seismic fortification measures of a project is described in the article. For the exceed-limit height, performance based seismic design was adopted, and the elastic analysis of multi-models using different programs and the static elastic-plastic analysis are given to ensure all the potential states of loading are enveloped. Some specific constructional measures are taken to assure the design meets the performance objectives.
Keywords: exceed-limit tall building; seismic performance objectives; elastic analysis; elastic-plastic analysis
0工程概述
本工程為一栋36层办公楼，地下设有2层地下室，总高度147.80 m。属超高层一类建筑，耐火等级为一级。
此工程结构采用框架-核心筒结构，为B级高度钢筋混凝土高层结构，其结构图详图1.
图1标准层结构平面图
工程设计年限50年，地震烈度7度，设计地震分组为第一组，基本加速度值为0.10g[1]。根据
《钢筋混凝土高层建筑设计规范》[2]（以下简称
《高规》），框架及筒体抗震等级为一级。
根据《广东省实施〈高层建筑混凝土结构技术规程〉（JGJ 3-2002补充规定》[3]，变形验算按50年重现期风荷载，基本风压值Wo=0.55KN/㎡；强度验算按100年重现期风荷载，基本风压值Wo=0.605KN/㎡。地面粗糙度为C类，风载体形系数取μs=1.4。
基础采用人工挖孔桩。桩端持力层选用中风化或微风化花岗岩层，桩端承载力特征值为6500，12000kPa。桩径主要为1.0～2.2m，桩长约13～39m。桩基的安全等级为一级。
本工程场地地震安全性评价报告提供的多遇地震影响系数取值大于规范值,为安全起见,本工程多遇地震反应谱部分采用安评报告提供的数值进行计算，设防地震和罕遇地震仍按规范值计算。
1 超限类型及工程抗震性能目标
（1）塔楼高度143.40m，为超B级高度；
（2）扭转不规则，楼层最大弹性层间位移与平均值的比值为1.30，大于1.20；
根据以上超限判定，对应的各类型结构构件抗震性能目标见表1。
各类型结构构件抗震性能目标表1
2弹性计算结果及分析
采用SATWE及ETABS两个软件进行多遇地震下的弹性计算分析。计算中考虑偶然偏心，双向地震及扭转耦联影响。两种程序计算结果基本一致，周期比、层间位移角、最大扭转位移比、层间刚度比及楼层受剪承载力比等指标均满足规范要求，说明计算模型能较好的反应结构在风及地震作用下的弹性受力性能。表2为计算结果部分数据，剪重比按规范调整后为1.6%。
塔楼弹性反应谱计算分析结果 表2
采用SATWE软件按建筑场地类别和设计地震分组，选用五组天然地震波和二组人工模拟地震波进行结构弹性时程分析，分析结果详表3。
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的65%，七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的80%，地震波的选择满足规范要求。
弹性时程分析结果 表3
注：基底剪力单位为kN
3中震设计
中震设计以基本烈度地震参数输入结构进行抗震分析，结构的内力调整系数取1.0；中震不屈服设计时，荷载分项系数和材料分项系数取1.0；中震弹性设计时荷载分项系数和材料分项系数按规范取值。
采用SATWE软件进行计算，框架柱在设防地震作用下计算配筋与多遇地震作用时基本相同，提高纵筋最小配筋率和最小体积配箍率进行配筋，在设防地震作用下，框架柱可保持弹性状态；落地剪力墙在设防地震作用下，竖向钢筋计算配筋偏大，提高剪力墙约束边缘构件配筋率进行配筋，能满足设防目标要求；连梁及普通框架梁，设防地震作用下大部分计算配筋比多遇地震时大，部分连梁及框架梁超筋，梁端出现屈服，设计时适当加强配筋，特别是箍筋，以保证梁的屈服性质是具有延性的抗弯屈服。
4罕遇地震下动力弹塑性分析
非线性动力时程分析是进行结构非线性地震反应分析最完善的方法。这种动力分析方法除去了非线性静力推覆分析方法的局限性，可以准确体现高振型的影响, 也能够正确地自动地对多向地震输入的效应进行迭加组合。
在分析中，重力荷载的施加与地震波的输入将分两步进行。第一步，施加重力荷载的代表值。
第二步，施加地震作用，地震加速度时程作用在地面结点上，沿整体坐标系的X方向或Y方向。在时程分析中，主方向与次方向的峰值加速度的比值为1.0 : 0.85。
为进行结构的非线性地震反应分析，本工程采用软件MIDAS Building验算结构在罕遇地震作用下的结构抗震性能，考察其是否能够满足结构抗震性能目标。
MIDAS Building的非线性梁柱单元使用了准确性较高的柔度法，可以使用较少的单元得到准确的结果。本工程对混凝土梁柱构件采用修正武田三折线滞回模型。混凝土墙采用纤维模型模拟，墙竖向纤维数量取5、水平纤维数量取3，混凝土材料的本构关系选择混凝土结构设计规范附录C中单轴受压曲线；钢材默认选择双折线本构；剪切特性默认取三折线类型。利用应变等级定义混凝土材料所处的受力状态级别，第1等级可认为是弹性状态，第2等级可认为是开裂状态，第3等级可定义为屈服状态，第4等级可认为是屈服后状态，第5等级可认为是极限状态。
塔楼梁铰及墙铰分布图详图2~3。各类构件塑性铰的发展过程：1.梁铰首先在中下部洞口连梁位置出现，随即次梁出现塑性铰，然后沿楼层方向发展；2.柱铰首先在裙房柱和上部楼层出现，然后沿楼层方向发展；3.墙铰首先在楼层中下部洞口上部墙肢出现，并沿楼层方向逐渐展开。出铰情况表明，在罕遇地震作用下，剪力墙承担了绝大部分的地震作用，结构整体上处于塑性发展阶段的初期，结构整体上满足“大震不倒”的性能目标。
图2Y向梁铰分布图
图3墙铰分布图
5超限结构抗震加强措施
针对本工程超限情况，采取了以下措施：
（1）根据抗震概念设计及大震弹塑性分析的结果对关注部位采取适当构造。
（2）结合风荷载下强度需要，对部分连梁加强构造，保证连梁的抗剪承载能力。
（3）加强周边框架梁刚度。
（4）对混凝土剪力墙，按照规范规定设置边缘约束构件和构造边缘构件。
（5）严格控制框架柱和底部加强区核心筒墙体的轴压比。
（6）裙楼双筒间楼板加厚，并采用双层双向配筋，每层单向配筋率不应小于0.25%。
6结语
该工程属于超限高层建筑，对关键构件设定了三水准抗震性能目标。在设计过程中，采用多个程序对结构进行了弹性，弹塑性计算分析，除保证结构在小震及风荷载作用下处于弹性状态外，补充了关键构件在中震和大震下的验算，并对重要构件采取了加强措施，实现了预期的性能目标，满足规范要求。
参 考 文 献
[1]GB50011-2010 建筑抗震设计规范 [S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010.
[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，2010.
[3]DBJ/T 15-46-2005 广东省实施《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）补充规定[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2005.
[关键词]超限高层; 抗震性能目标; 弹性分析; 动力弹塑性分析
中图分类号：TU241.8 文献标识码A 文章编号
Seismic design of exceed-limit tall building of a project
Gao Fei
（Huasen Architecture & Engineering Design Consultants Ltd.,Shenzhen 518054）
Abstract: The structure plan, the seismic analysis and the seismic fortification measures of a project is described in the article. For the exceed-limit height, performance based seismic design was adopted, and the elastic analysis of multi-models using different programs and the static elastic-plastic analysis are given to ensure all the potential states of loading are enveloped. Some specific constructional measures are taken to assure the design meets the performance objectives.
Keywords: exceed-limit tall building; seismic performance objectives; elastic analysis; elastic-plastic analysis
0工程概述
本工程為一栋36层办公楼，地下设有2层地下室，总高度147.80 m。属超高层一类建筑，耐火等级为一级。
此工程结构采用框架-核心筒结构，为B级高度钢筋混凝土高层结构，其结构图详图1.
图1标准层结构平面图
工程设计年限50年，地震烈度7度，设计地震分组为第一组，基本加速度值为0.10g[1]。根据
《钢筋混凝土高层建筑设计规范》[2]（以下简称
《高规》），框架及筒体抗震等级为一级。
根据《广东省实施〈高层建筑混凝土结构技术规程〉（JGJ 3-2002补充规定》[3]，变形验算按50年重现期风荷载，基本风压值Wo=0.55KN/㎡；强度验算按100年重现期风荷载，基本风压值Wo=0.605KN/㎡。地面粗糙度为C类，风载体形系数取μs=1.4。
基础采用人工挖孔桩。桩端持力层选用中风化或微风化花岗岩层，桩端承载力特征值为6500，12000kPa。桩径主要为1.0～2.2m，桩长约13～39m。桩基的安全等级为一级。
本工程场地地震安全性评价报告提供的多遇地震影响系数取值大于规范值,为安全起见,本工程多遇地震反应谱部分采用安评报告提供的数值进行计算，设防地震和罕遇地震仍按规范值计算。
1 超限类型及工程抗震性能目标
（1）塔楼高度143.40m，为超B级高度；
（2）扭转不规则，楼层最大弹性层间位移与平均值的比值为1.30，大于1.20；
根据以上超限判定，对应的各类型结构构件抗震性能目标见表1。
各类型结构构件抗震性能目标表1
2弹性计算结果及分析
采用SATWE及ETABS两个软件进行多遇地震下的弹性计算分析。计算中考虑偶然偏心，双向地震及扭转耦联影响。两种程序计算结果基本一致，周期比、层间位移角、最大扭转位移比、层间刚度比及楼层受剪承载力比等指标均满足规范要求，说明计算模型能较好的反应结构在风及地震作用下的弹性受力性能。表2为计算结果部分数据，剪重比按规范调整后为1.6%。
塔楼弹性反应谱计算分析结果 表2
采用SATWE软件按建筑场地类别和设计地震分组，选用五组天然地震波和二组人工模拟地震波进行结构弹性时程分析，分析结果详表3。
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的65%，七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的80%，地震波的选择满足规范要求。
弹性时程分析结果 表3
注：基底剪力单位为kN
3中震设计
中震设计以基本烈度地震参数输入结构进行抗震分析，结构的内力调整系数取1.0；中震不屈服设计时，荷载分项系数和材料分项系数取1.0；中震弹性设计时荷载分项系数和材料分项系数按规范取值。
采用SATWE软件进行计算，框架柱在设防地震作用下计算配筋与多遇地震作用时基本相同，提高纵筋最小配筋率和最小体积配箍率进行配筋，在设防地震作用下，框架柱可保持弹性状态；落地剪力墙在设防地震作用下，竖向钢筋计算配筋偏大，提高剪力墙约束边缘构件配筋率进行配筋，能满足设防目标要求；连梁及普通框架梁，设防地震作用下大部分计算配筋比多遇地震时大，部分连梁及框架梁超筋，梁端出现屈服，设计时适当加强配筋，特别是箍筋，以保证梁的屈服性质是具有延性的抗弯屈服。
4罕遇地震下动力弹塑性分析
非线性动力时程分析是进行结构非线性地震反应分析最完善的方法。这种动力分析方法除去了非线性静力推覆分析方法的局限性，可以准确体现高振型的影响, 也能够正确地自动地对多向地震输入的效应进行迭加组合。
在分析中，重力荷载的施加与地震波的输入将分两步进行。第一步，施加重力荷载的代表值。
第二步，施加地震作用，地震加速度时程作用在地面结点上，沿整体坐标系的X方向或Y方向。在时程分析中，主方向与次方向的峰值加速度的比值为1.0 : 0.85。
为进行结构的非线性地震反应分析，本工程采用软件MIDAS Building验算结构在罕遇地震作用下的结构抗震性能，考察其是否能够满足结构抗震性能目标。
MIDAS Building的非线性梁柱单元使用了准确性较高的柔度法，可以使用较少的单元得到准确的结果。本工程对混凝土梁柱构件采用修正武田三折线滞回模型。混凝土墙采用纤维模型模拟，墙竖向纤维数量取5、水平纤维数量取3，混凝土材料的本构关系选择混凝土结构设计规范附录C中单轴受压曲线；钢材默认选择双折线本构；剪切特性默认取三折线类型。利用应变等级定义混凝土材料所处的受力状态级别，第1等级可认为是弹性状态，第2等级可认为是开裂状态，第3等级可定义为屈服状态，第4等级可认为是屈服后状态，第5等级可认为是极限状态。
塔楼梁铰及墙铰分布图详图2~3。各类构件塑性铰的发展过程：1.梁铰首先在中下部洞口连梁位置出现，随即次梁出现塑性铰，然后沿楼层方向发展；2.柱铰首先在裙房柱和上部楼层出现，然后沿楼层方向发展；3.墙铰首先在楼层中下部洞口上部墙肢出现，并沿楼层方向逐渐展开。出铰情况表明，在罕遇地震作用下，剪力墙承担了绝大部分的地震作用，结构整体上处于塑性发展阶段的初期，结构整体上满足“大震不倒”的性能目标。
图2Y向梁铰分布图
图3墙铰分布图
5超限结构抗震加强措施
针对本工程超限情况，采取了以下措施：
（1）根据抗震概念设计及大震弹塑性分析的结果对关注部位采取适当构造。
（2）结合风荷载下强度需要，对部分连梁加强构造，保证连梁的抗剪承载能力。
（3）加强周边框架梁刚度。
（4）对混凝土剪力墙，按照规范规定设置边缘约束构件和构造边缘构件。
（5）严格控制框架柱和底部加强区核心筒墙体的轴压比。
（6）裙楼双筒间楼板加厚，并采用双层双向配筋，每层单向配筋率不应小于0.25%。
6结语
该工程属于超限高层建筑，对关键构件设定了三水准抗震性能目标。在设计过程中，采用多个程序对结构进行了弹性，弹塑性计算分析，除保证结构在小震及风荷载作用下处于弹性状态外，补充了关键构件在中震和大震下的验算，并对重要构件采取了加强措施，实现了预期的性能目标，满足规范要求。
参 考 文 献
[1]GB50011-2010 建筑抗震设计规范 [S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010.
[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，2010.
[3]DBJ/T 15-46-2005 广东省实施《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）补充规定[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2005.