某B级超限高层主体设计研究

王 康

(厦门合立道工程设计集团股份有限公司 福建厦门 361009 )

1 工程概况

该工程地处河南省洛阳市新区行政广场南侧，地上部分由两栋166m(屋架高度180m)左右超高层建筑及5层附属裙房建筑组成，地上总建筑面积约为13.8万m2；地下部分为分布于主楼及裙房下方两～三层地下室，地下总建筑面积约5.89万m2。其中国际酒店，下文简称“西楼”地上建筑面积7.7万m2，地下建筑面积3.5万m2。西楼主体地上为35层商业及酒店，主体结构高度(计算至主屋面)为165.95m(屋架高度180m)，地下室3层。上部建筑标准层层高3.6m，底层层高6.0m，底部商业层高为5.2m、6.0m，顶部8层产权式酒店层高为6.9m；地下室层高4.2m、5.5m。本栋楼高宽比5.20, 长宽比1.97；建筑效果图见图1，剖面图、主要建筑平面图如图2～图4所示。

鉴于地上两栋超高层的相似性，本文选取西楼进行介绍。

图1 效果图 图2 剖面图

图3 建筑标准层平面1(下部)

图4 建筑标准层平面2(上部)

2 结构设计依据

(1)该工程按国家及河南省颁布的现行有关规范、规程进行设计。

(2)由建设单位提供的地质勘查报告及场地地震安全性评估报告。

3 结构材料

(1)混凝土，主体采用的混凝土强度等级为C35～C60。

(2)钢筋，受力钢筋、箍筋均采用HRB400(fy=360N/mm2)；构造、分布钢筋均采用HPB300(fy=270N/mm2)。

(3)钢材和焊条，主要受力构件采用Q345B钢材(钢材性能需符合相关规范规定)；施工所用的焊条、焊丝、焊剂等均符合相关规范规定。

4 结构体系设计

结合建筑功能布局要求，该栋建筑采用了框架—剪力墙结构体系，剪力墙、框架的抗震等级均为一级，其中在建筑第5、7、27层刚度或层高突变楼层，剪力墙、框架的抗震构造措施为特一级[1]。

主体框架柱采用内设十字钢骨的型钢混凝土柱，框架柱截面由下至上为1300×1300～1100×1100；主要剪力墙截面由下至上为700～500；框架梁采用普通混凝土矩形截面，其截面为500×700～700×800，楼(屋)面采用普通混凝土楼板，厚度为120～150。

小震下采用规范值与“安评报告”反应的较大者进行计算分析[1]，该工程安评报告大于规范值，结构阻尼比取4%，结构计算以地下室顶板为嵌固部位，并将地下室带入整体模型进行计算分析。

典型标准层结构平面布置如图5～图6所示。

图5 典型标准层结构平面布置图1(下部)

图6 典型标准层结构平面布置图2(上部)

5 超限类型和程度

依据建设部《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质〔2010〕109号)[2]，该栋建筑超限类型为高度超限(超B级高度)。

其余不规则类型分别为：

(1)扭转不规则，规定水平力下考虑偶然偏心时裙房层以上楼层最大层间位移与平均层间位移比值为1.29。

(2)侧向刚度不规则，建筑第4～6层侧向刚度小于相邻上层侧向刚度的70%及上部上层刚度平均值的80%。

6 针对超限情况进行分析验算和采取的加强措施[1-2]

(1)采用弹性时程分析方法进行多遇地震的补充计算(选取安评报告所提供的参数)；

(2)采用PUSH—OVER静力弹塑性分析方法补充结构在罕遇地震下的变形反应；

(3)分别采用SATWE、PMSAP、MIDAS进行结构整体内力、位移的计算分析并比对；

(4)设定该栋建筑的性能目标为C级；

(5)合理选择竖向构件断面及柱内钢骨尺寸，避免出现明显薄弱层；

(6)合理调整侧向构件布置使之均匀对称，减少结构的扭转效应；

(7)针对楼层局部开大洞情况，加强其相邻范围的楼板设计。

7 抗震设计参数及性能目标

针对该工程高度超B级限值较多的特点，对结构进行计算和分析时，严格按照现行规范或高于现行规范的标准，采用基于性能的抗震设计方法，以量化分析手段，使结构满足规范要求的“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准建筑抗震设防目标[3]。

按现行规范及相关资料，抗震设计采用的相关参数详见表1。

表1 主要参数

基于性能的抗震设计是建筑结构抗震设计的一个重要发展，它使抗震设计从宏观性的目标向具体量化的多重目标过度，设计者可选择所需的性能目标。该工程的抗震性能目标见表2[1]。

表2 结构抗震性能目标

8 结构分析结果

(1)小震及风载作用下：本栋建筑采用SATWE，PMSAP，MIDAS三种不同力学模型的有限元程序进行整体弹性计算分析，各项分析结果见表3～表6(小震作用采用安评报告提供地震波曲线)。

(2)同时采用中震和大震作用对相应性能目标要求进行验算复核，结果显示本栋建筑性能目标均能达到既定目标。

表3 主楼结构分析主要结果对比

表4 主楼SATWE分析结构位移主要结果

表5 主楼PMSAP分析结构位移主要结果

表6 主楼MIDAS分析结构位移主要结果

9 该工程特性及处理方案

(1)该工程高度超过150m且基本自振周期大于4S，采用弹塑时程分析法补充计算：结构在完成40s动力时程分析后，最终仍保持直立，满足“大震不倒”设防目标；结构主体最大层间位移角1/161，小于规范限值1/100，且有害位移角数值较小。

(2)该工程高度超过B级且存在局部规则性不够和周期比、位移比接近限值，对关键部位构件进行加强，并按特一级考虑抗震构造，如底部加强区剪力墙(含短肢剪力墙)、框架柱。

(3)补充屈服状态评价：根据EPDA分析结果，结构在罕遇地震作用下表现出明显的非线性特征，其特征大致显示为以下两种形式：

①情况1：某些地震波作用下在地震初期，剪力墙底部及建筑27层侧向刚度突变楼层附近剪力墙首先开裂，继而墙面更多部位开裂，一些连梁及框架水平构件也开始开裂。随着地面运动的加剧，剪力墙连梁的个别部位开始屈服，不久后框架的部分水平构件也出现屈服。在结构达到峰值位移左右，剪力墙连梁及框架的水平构件出现严重的破坏，个别位置底部剪力墙端柱破坏比较严重(设计时，在该部位端柱内设置钢骨，以提高其承载力及延性)；

②情况2：某些地震波作用下在地震初期，一些连梁及框架水平构件开始开裂，剪力墙连梁的个别部位开始屈服，不久后框架的部分水平构件也出现屈服。随着地面运动的加剧，剪力墙底部及建筑第27层侧向刚度突变楼层附近剪力墙首先开裂，继而墙面更多部位开裂，在结构达到峰值位移左右，剪力墙连梁及框架的水平构件出现严重的破坏，个别位置底部剪力墙端柱破坏比较严重。

针对此种分析结果，设计时在这些关键部位的墙体端柱内设置钢骨，以提高其承载力及延性。

(4)补充分析并提供抗震性能设计中、大震作用下相关关键结构构件的计算分析，保证其在中、大震作用下的性能目标。

(5)进一步对结构局部规则性(如大开洞、穿层柱竖向转换、较大悬挑等)补充认定，并按规范规定采用有针对性特别加强措施。

①对大开洞周边楼板进行加厚，设置双层双向钢筋网片，提高配筋率，并采用弹性楼板加设进行计算分析；

②局部穿层柱，摘取其正常工况及中震作用下的轴力和弯矩，进行压弯性能复核，保证其实际受力在性能曲线以内，并对穿层范围配筋的整体性提出要求；

③对于较大悬挑构件，考虑竖向地震组合，并严格控制其变形值；

(6)该工程周期比(T/T1≤0.85)接近或超过限值时，适当调整抗侧力结构的布置，增大结构的抗扭刚度。

10 工程现状

截稿时，该工程已经竣工验收，内部装修均已经到位，根据现场各阶段观测记录，目前主楼基础沉降变形最大值在19mm以内，各部位结构构件外观及相关检测数据均复合要求。建筑主体已施工、装修完毕，社会、经济效果良好。

11 结语

(1)对于超过B级高度的超限项目，应与建筑专业协商，尽可能控制其其余项次的超限数量及超限程度，结构设计师需综合应用各种结构设计分析手段，采用合理的假定进行对比分析，使结构方案合理。

(2)当结果指标显示异常时，尽量使用不同力学模型的计算软件进行对比分析，找出出现异常的原因，并进行针对性的处理。

(3)采用合理的性能化设计目标，并对由不同分析手段得到的关键薄弱构件进行针对性加强，使得结构体系能够达到预定的性能化目标。

本文通过对西楼的设计梳理、总结，可为类似的超过B级高度的超限项目超限设计提供明确思路及相应措施参考。