浅谈超高层结构的抗震和超限设计

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摘 要：天津滨海新区于家堡金融区03-16地块是我院(华汇设计)2010年度的重点工程，总高度233.850米，属超B级高度超限高层，已于2012年主体竣工。本人有幸参与该工程的部分结构设计，并全程指导了现场施工。本文结合了该工程的具体设计过程，探讨了超高层结构的抗震和超限设计的设计要点及抗震构造措施。

关键词：筒中筒结构；抗震等级；B级超限；抗震构造加强措施

中图分类号：TU973+.31文献标识码：A 文章编号：

1 工程概况

本工程位于天津滨海新区于家堡金融区内。由一栋超高层主楼与两栋附楼组成，设三层地下室，地下三层高4.800米，地下二层高3.90米，地下一层高5.650米。地上主楼54层，总高233.850米，首层层高6.0米，二层、三层层高5.4米，避难层层高5.1米，其它标准层层高4.2米，采用筒中筒结构。附楼A地上四层，总高度21.150米,采用框架结构。附楼B地上7层，总高度34.950米，采用框架剪力墙结构。主楼地上部分设抗震缝与附楼断开，地下室连成整体不设缝。

2 抗震设计

2.1本工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第一组。

2.2抗震设防类别：乙类。

2.3建筑场地类别为Ⅳ类，场地土类型属于软弱土，特征周期0.55s。

2.4本场地等效剪切波速νse=131m/s＜140m/s，场地覆盖层厚度大于80米。

2.5本场地属非液化场地。且可不考虑震陷的影响。

2.6本工程多遇水平地震影响系数最大值αmax=0.12，罕遇水平地震影响系数最大值αmax=0.72。

2.7抗震等级：主楼地上54层，采用砼筒中筒结构，抗震设防类别为乙类，抗震措施按8度（0.20g）采用，外筒抗震等级特一级，内筒抗震等级特一级。地下一层抗震等级同地上主体，地下二层抗震等级采用一级，地下三层抗震等级采用二级，逐层降低。

因本工程抗震设防类别为乙类，根据《分类标准》[1]及专家意见，地震动参数按《抗规》[2]取值，小震、中震特征周期按插值取0.55s，大震计算时特征周期相应增加0.05，大震阻尼比可比小震适当提高取0.07～0.08。

3主体设计

3.1本工程地上部分分为三个独立的单体，54层办公，7层商业和4层交易大厅，各单体间设防震缝分开，缝宽按8度（0.20g）设置,达到中震下不碰撞原则。主楼与附楼B入口门厅处采用钢结构，一端与附楼B采用铰支座连接，一端与主楼采用滑动铰支座连接，滑动铰支座变形量按中震考虑。

3.2 主楼平面为直角梯形，尺寸48.6x58.6米，左上切角。主楼采用筒中筒结构，结构高宽比233.85/37.510=6.23,满足《高规》[3] B级高度高层建筑结构适用最大高宽比要求。内筒高宽比233.85/17.950=13。建筑在左侧主入口设置三层通高大堂，大堂大厅总高度16.800米，右侧银行办公部分设置二层通高共享空间，总高度11.4米。外框筒除角柱外其它外框筒柱自首层顶6米标高处至二层顶标高16.8米为一分为二Y形柱,柱子斜率25.6：1。其中二层楼板开洞率大于30%。主楼4至46层为标准层，其中16，29，42层为避难层，47层至顶层左侧平面逐渐外倾，外倾斜率16.1：1.右下角逐渐内倾。出屋顶机房间层高6.7米。

3.3主楼54层，总高度233.85米，采用钢筋混凝土筒中筒结构。超过上表中7度（含0.15g）混凝土结构筒中筒150米的限值。根据《高规》[4]规定，B级高度钢筋混凝土高层建筑筒中筒结构的最大适用高度为230米，本工程属超B级高度超限高层。

3.4外筒平面内梁截面600X700，外筒与内筒之间采用普通钢筋混凝土现浇密肋梁板结构，主要梁截面200X600，标准层板厚100mm，另外二层开洞楼板边板厚加至180mm，三层板厚加至150mm，四层板厚加至120mm。外筒主要柱截面尺寸,内筒主要剪力墙截面尺寸及混凝土强度等级沿高度竖向变化情况如下：

楼层 标高 内筒主要墙厚度 外筒主要截面 砼强度

机房层 231.900~238.600,500,250 600X600,600X550, C40

51层~54层 212.600~231.900 600,500,250 600X500,600X800C40

46层~50层 195.800~212.600 500,300 600X700,600X750 C45

43层~46层 178.100~195.800 500,300 600X800C50

33层~42层 136.100~178.100 600,300 600X800 C55

21层~32层 84.800~136.100 800,700,400 800X800,700X800 C60

13层~20层 50.300~84.800 900,800,400 1100X800,1000X800 C60

4层~12层 16.700~50.300 1000,900,400 1200X800 C60

2层~3层 5.900~16.700 1200,1000,400 1500X800,1300X800 C60

-3层~2层 基础~5.900 1200,1000,400 1500X1800,1300X1800 C60

4.超限处理措施

超限内容： 总高度超B级高度，二层楼板开大洞，竖向构件不连续

4.1 超B级高度

4.1.1 采用两个不同的空间分析软件（PMSAP与MIDAS）进行分析比较，采用考虑扭转耦联的振型分解反应谱法，并考虑双向地震和偶然偏心的影响。

4.1.2 采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算。弹性时程分析所取地面运动最大加速度为55gal，按建筑场地类别和设计地震分组选用2条天然波和1条人工波。控制每条波计算所得的结构基底剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65%，三条波计算所得的结构基底剪力的平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%。

4.1.3 进行弹塑性动力时程分析，验算结构在罕遇地震下的弹塑性层间位移角是否小于规范限值，判断薄弱层位置并予以加强，根据塑性铰出现的顺序、位置、多少等情况，对薄弱构件予以加强。

4.1.4 通过调整内外筒竖向构件截面和布置，以及内外筒连梁高度，控制结构两个主轴方向第一振动周期之比不小于0.8。控制扭转为主的第一周期与平动为主的第一周期之比不大于0.85。

4.1.5 控制竖向构件截面尺寸、砼强度及其配筋沿高度均匀变化，使得各层的侧向刚度不小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%。

4.1.6 控制各楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不小于其上一层受剪承载力的80％。

4.1.7 内、外筒正截面承载力按中震不屈服设计，内外筒斜截面承载力按中震弹性设计；同时控制竖向构件剪压比在大震不屈服验算时不大于0.15。