超高层超限抗震分析研究
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【摘要】通过对超高层建筑进行弹性时程分析，中震不屈服分析以及弹塑性时程分析。给出结构分析设计过程，超限以及相应的抗震构造措施。
【关键词】超高层；超限；结构分析；弹性时程分析；弹塑性时程分析；抗震措施
1 工程概况
苏州XX广场项目为高级办公、商业一体的综合项目，位于苏州工业园区。项目总建筑面积107807 m2，地下3层，由主塔楼和商业裙房组成，采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系，裙房为钢筋混凝土框架－剪力墙结构。塔楼41层，标准层尺寸为47.3m×38.2m，面积64169m2，结构高度180.5m；底部5层为商业裙房，尺寸为86.5m×60.9m（X向×Y向）,面积21274m2，高度27.75m；地下3层与裙房和塔楼连成一体，形成带大底盘的高层建筑结构。
2 结构超限判别及措施
2.1 结构超限判别
本工程存在以下方面的结构超限内容：
2.1.1 超过《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）A级高度的混凝土结构最大适用高度，为B级高层的高层建筑结构，属于高度超限；
2.1.2 楼层的最大弹性水平位移大于该楼层两端弹性水平位移平均值的1.2倍，属平面不规则的类型；
2.1.3 主楼位置明显偏置于大底盘，属于平面不规则；
2.2 针对超限情况的抗震措施
2.2.1 针对高度超限措施:
（1）塔楼底部框架柱（地下2层～8层）采用型钢混凝土柱，提高底部柱延性，保证总体屈服机制；控制框架柱和核心筒的轴压比，增加10%竖向钢筋和水平钢筋（包括箍筋）的配筋量；相应提高其抗震等级为一级。
（2）计算中考虑P-Δ效应，目的是减少地震下结构的非线性反应。
（3）结合小震弹性时程分析，对比小震反应谱计算结果，明确小震反应谱分析结果的适用性，同时，对于顶部楼层的竖向构件，考虑提高10%的配筋量。
2.2.2 针对裙房部分扭转不规则措施:
（1）优化结构布置，减少质量和刚度的偏心；
（2）控制位移比不超过规范限制的1.4；
（3）加强裙房角柱配筋（比计算值提高10%），箍筋全高加密。
（4）结合建筑功能在裙房楼梯部位局部布置剪力墙，减少刚度偏心。
2.3 其他抗震措施
2.3.1 调整各楼层框架柱的地震总剪力至以下二者的较小值：结构基底总剪力的20%和楼层框架柱总剪力最大值的1.5倍，确保底部塔楼框架柱的承载能力。
2.3.2 对筒体开洞形成的5至8倍墙厚范围的墙肢，增大10%配筋率和配箍率。
2.3.3 在较厚墙体中布置多层钢筋，以使墙截面中剪应力均匀分布且减少混凝土的收缩裂缝。
2.3.4 核心筒墙体中洞口的分布对墙体的抗震能力有极大的影响。墙体中的洞口总体上是对称的和规则的，有明确的连梁和墙肢。对连梁耗能构件,一般剪压比控制在0.2以下，对于跨高比小于2.5的连梁除配普通箍筋外，为了提高受剪能力和延性，考虑在部分连梁中布置斜向钢筋。
3 主要计算结果及分析
采用中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所编制的PKPM系列软件SATWE空间结构模型计算程序，结构抗震计算按照扭转耦联振型分解法进行，考虑双向地震作用及偶然偏心影响，并采用ETABS（Ver9.2.0）计算程序对SATWE结果进行了对比和校核。计算中取±0.000为嵌固端。
3.1 主要计算结果指标汇编及结论分析
3.1.1 取21个振型进行了计算，结构总重量约为1996530kN。
（1）计算结果表明，各项指标均满足规范要求。从SATWE、ETABS反应谱计算结果来看，其计算结果相差在5%以内，结构动力特性一致, 说明计算程序选择合适，计算结果可靠。计算得到的周期、层间位移角及位移比值等指标均在合理范围内，并满足现行规范的要求。
（2）地下一层与首层的侧向等效剪切刚度比值 X 向为4.09、Y 向为3.60，满足±0.000做为嵌固端的要求。
（3）各典型曲线形状突变处均与结构特点相一致，无明显薄弱部位。
3.1.2 小震弹性时程分析结果
为了解结构在实际地震下的反应，验证反应谱分析的适用性，根据规范要求，采用时程分析方法进行了多遇地震下的计算。计算结果表明，所选地震波计算结果满足规范要求，既“每条时程曲线结构底部剪力均不小于振型分解反应谱法计算结构的65%，三条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%”。
表3.1.2主要计算结果汇编
地震波名称 基底剪力(kN) 层间位移角
X向 Y向 X向 Y向
天然波 US169.ACC 16054.2 19661.5 1/1133(29层) 1/1127(37层)
US397.ACC 22633.0 19931.8 1/972(25层) 1/788(29层)
人工波 S645-1 16633.2 19102.1 1/1432(28层) 1/1075(37层)
时程曲线平均值 18440 19564 1/1149 1/972
反应谱 20830.99 22650.44 1/1081 (28层) 1/973(35层)
3.2 结构中震抗震性能分析
针对本工程的超限特点，提出如下中震设计要求：主楼底部加强部位剪力墙的受剪承载力按中震弹性设计，拉弯、压弯承载力按中震不屈服设计。采用新版SATWE软件，按上述要求进行相关中震性能设计。通过对计算结果分析可以看到，结构仍为小震控制，应按小震结果进行设计。
3.3 弹塑性动力时程分析结果汇编
本工程采用EPDA程序进行了弹塑性动力时程分析，三条地震波中S645-1为人工波，US169.ACC、US397.ACC为满足场地条件的天然波，由中国建筑科学研究院地震所提供。大震分析加速度峰值为111gal。弹塑性动力时程分析结果如下：
表3.3.1最大位移角（X向）
地震波 最大位移角 所在楼层
S645-1 1/459 26层
US169.ACC 1/375 27层
US397.ACC 1/263 18层
表3.3.2最大位移角（Y向）
地震波 最大位移角 所在楼层
S645-1 1/487 22层
US169.ACC 1/349 26层
US397.ACC 1/252 27层
结构变形特征描述：
核心筒侧向呈明显的弯剪型；筒体墙体底部若干层边缘构件出现屈服，裂缝整体表现为受弯特性；核心筒总体未发生破坏。X向：左侧竖排1/2高度以下，右侧竖排全高范围内连梁均屈服，且右侧竖排中部1/4范围内连梁破坏。Y向：左侧竖排1/2高度以下，右侧竖排1/4范围以下连梁均屈服，但未出现破坏。由此可以得到，连梁起到了第一道防线的作用，先于墙体破坏耗能，剪力墙底部屈服，符合期望的总体破坏机制。在大震时程作用下，结构整体表现出较好的延性，最大层间位移角均满足规范限定1/100的要求。
3.4 大震作用下剪力墙截面尺寸验算
根据规范要求，地震作用下剪力墙截面应满足:
剪跨比λ大于2.5时
剪跨比λ不大于2.5时
取大震作用下底部加强区墙肢进行截面尺寸验算，墙肢编号见下图，由表中结果可以看出，核心筒底部加强区剪力墙均满足大震截面尺寸的要求。
表3.4大震剪力墙截面尺寸验算表
墙肢
编号 Vw（kN）
A 5202 19356
B 12073 31189
C 11057 28947
D 8682 24870
E 4227 14270
图3.4墙肢编号示意图
4结论
本工程为竖向规则，平面超限不规则的B级高度超限高层。依据《高规》要求进行了两个不同程序软件计算对比，计算结果无异常，周期、位移、剪重比、刚重比等重要参数结果均满足高规及抗震有关要求。并进行大震下弹塑性时程分析，最大层间位移角均满足规范限定1/100的要求。本工程采用了框架-核心筒结构，由延性较好的框架，抗侧力刚度较大的剪力墙和有良好耗能性能的连梁所组成，具有多道抗震防线，为一种抗震性能很好的结构体系。SATWE及ETABS软件的计算结果也证实了本工程结构体系，结构布置，截面尺寸等是合理的，对于楼板开洞处，平面转角（阴角）处，顶层大开间等结构薄弱处以及边缘的剪力墙、框架梁、柱需进一步加强构造措施，严格控制轴压比，加大配筋。以保证结构体系的设计三水准目标及确保工程经济、安全、可靠。
参考文献：
[1]中国建筑科学院研究院，JGJ3-2002，J186-2002，高层建筑混凝土结构技术规程，中国建筑工业出版社，2002年.
[2]中国建筑科学研究院，GB50011-2010，建筑抗震设计规范，中国建筑工业出版社，2010年.
[3] 中华人民共和国建设部，中华人民共和国工程建设标准强制性条文-房屋建筑部分，中国建筑工业出版社，2002年.
[4] 建设部工程质量安全监督与行业发展司/中国建筑标准设计研究所，全国民用建筑工程设计技术措施-结构，中国计划出版社，2003年.
作者简介：
邹莉(1979.7-),女，工程师，上海建筑设计研究院有限公司，上海市石门二路258号，200041图3.4墙肢编号示意图