广东某超限高层建筑结构方案的可行性分析

张金凤

摘要：广东某高层建筑由于高度超限，应用SATWE和midasbuilding两种软件计算，对多遇地震作用下的计算结果进行对比分析，为保证结构分析的全面性，用SATWE进行弹性时程分析补充计算；采用SATWE进行设防地震作用下的计算分析，确保剪力墙底部加强区及对应楼层框架柱满足“中震不屈”，其余楼层竖向构件满足“中震抗剪不屈”的性能目标；再应用PKPM-sausage进行弹塑性时程分析计算，确保结构满足“大震不倒”的目标。

关键词：结构方案设计；高层建筑超限；弹性时程分析；弹塑性时程分析

1结构体系参数及平面布置

1.1结构体系优选

结合建筑平面布置及使用要求考虑，经过仔细分析对比，本工程采用钢筋混凝土剪力墙结构体系，在平面南侧角部设置2根混凝土框架柱，尺寸由底部的1200x1200逐渐减薄至顶部的1000x1000；剪力墙尽量沿角部和周边布置，楼层墙厚由底部的500mm逐渐减薄至顶部的250mm，确保了连续均匀的刚度变化和合适的结构布置。

1.2标准参数

工程为地下2层，地上36层的钢筋混凝土剪力墙结构。设计地震动参数：设防烈度及基本地震加速度为8度（0.2g），设计地震分组为第二组；场地类别为Ⅲ类，抗震设防类别为标准设防类。抗震等级：剪力墙和框架均为一级。

1.3典型平面

本工程典型标准层平面详见下图1：

图1：标准层平面

2结构超限判定

本工程所属地区抗震设防烈度为8度，抗震设防类别为丙类，出地面建筑高度142.3m，超过B级高度钢筋混凝土剪力墙结构最大适用高度9.5%，超B级高度高层建筑，属结构高度超限。考虑偶然偏心的扭转位移比Y向最大1.28，超过规范限值1.2，属于扭转不规则超限。

3多遇地震作用下，两种软件的计算结果分析

3.1结构总质量对比

表1

根据上表2，两种软件计算的结构自振周期差值均在3%以内，计算结果吻合好；结构具有较好的抗扭刚度；结构在X，Y两个方向抗侧力构件布置均匀，两方向动力特性基本一致。

3.3最大层间位移角对比：

根据图4、图5可知，两种软件计算的楼层扭转位移比基本相同，楼层位移比X向在1.2范围内，Y向不超过1.3，基本满足规范限值要求。

3.6地震剪力系数分析对比：

根据上表3，地下一层与地上一层的两个方向剪切刚度比均大于2.0，满足地下室顶板嵌固的要求，并且地下室顶板无大开洞，可以有效传递上部结构传来的水平力。

3.8弹性时程分析

根据《建筑抗震设计规范》第5.1.2条的要求，超限高层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”[1]，本工程采用2组人工模拟的加速度时程曲线和5组实际强震记录，与地震振型分解反应谱法（CQC）的计算结果进行比较详见下表4：

弹性时程分析X&Y向地震作用与CQC结果比较表4

根据上表4，弹性时程分析法补充计算表明，满足“每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%”[1]的规范限值；根据规范要求，拟将此部分楼层地震内力适当放大，使CQC计算下的地震剪力包络时程波的平均值，并采用调整后的CQC内力做为设计依据，来满足弹性时程补充计算结果的要求。

4在设防地震作用下的中震不屈分析

在设防地震作用下，用SATWE计算结果显示底部加强区所有竖向构件抗剪承载力均可满足要求，但是底部墙肢边缘构件配筋率超限，说明在墙肢边缘构件已进入塑性阶段，截面抗弯承载力无法满足“中震不屈”的要求。同时角部框架柱各项指标均未超限，说明结构在设定工况下角柱可以满足“中震不屈”的要求。

处理措施：根据计算结果，底部加强区墙柱均以中震不屈的计算结果进行配筋，确保剪力墙底部加强区及对应楼层框架柱均满足“中震不屈”的性能目标，其余楼层竖向构件需满足“中震抗剪不屈”的性能目标。

5在罕遇地震作用下的弹塑性时程分析

根据《高规》第5.1.13条的要求，B级高度的高层建筑结构宜采用弹塑性静力或动力分析方法验算薄弱层弹塑性变形，本工程建筑高度为142.3m，初步设计采用PKPM-sausage进行弹塑性时程分析，选取三条波分别为：RH4TG055人工波；TH4TG055天然波；TH087TG055_SUPERSTITIONHILLS-0211-24-1987WESTMORLAND天然波。

弹塑性时程分析结果数据：

弹塑性时程分析的结论：

（1）根据图7、8可知，结构最大层间位移角1/192均小于规范限值要求，结构楼层的位移角曲线与小震工况下较为吻合，反映出结构在罕遇地震下楼层刚度均匀，无突变。

（2）根据图9、10可知，X向基底剪力88400KN（小震下剪力基底29557.52），比值为3.0；Y向基底剪力101300KN（小震下基底剪力28514.54），比值为3.55，其比值属于合理范围。

（3）根据图11、12可知，墙柱混凝土有充分塑性发展，结构大部分墙柱均处于轻度损坏，可认为损伤对结构安全性影响较小；连梁在罕遇地震下破坏严重，符合连梁作为耗能构件的设计思路。

6本工程结构方案可行性分析的结论

1、在多遇地震作用下，SATWE和midas两种程序计算对比分析的结果表明，结构的周期比和最大层间位移角均满足规范要求，结构具备必要的承载力、适宜的刚度、良好的变形能力，确保结构满足“小震不坏”的目标。

2在设防地震作用下，结构底部加强区墙柱均以中震不屈的计算结果进行配筋，确保剪力墙底部加强区及对应楼层框架柱均满足“中震不屈”的性能目标，其余楼层竖向构件满足“中震抗剪不屈”的性能目标，结构可以达到“中震可修”的结果。

3、通过弹塑性动力时程分析，结构的最大弹塑性变形均小于规范规定的限值；结构在罕遇地震作用下，墙柱混凝土有充分的塑性发展，结构大部分墙柱均处于轻度损坏，连梁破坏严重，符合连梁作为耗能构件的设计思路；结构主要的抗侧力构件仍具有充足的强度和变形能力安全储备，结构在罕遇地震下的抗震性能满足“大震不倒”的目标；在规范规定的地震作用下，可确保结构是安全的。

参考文献：

[1]GB50011-2010建筑抗震设计规范（2016年版）[S].北京：中国建筑工业出版社，2016.

[2]GB50009-2012建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[3]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.

[4]DBJ15-92-2013广东省标准《高层建筑混凝土结构技术规程》[S].广东：广东省标准《高层建筑混凝土结构技术规程》编制组，2013.4.

[5]高立人，方鄂华，钱稼茹.高层建筑结构概念设计.